Hbase調(diào)優(yōu)：HBase 調(diào)整 Java 垃圾收集算法
? ?本文整理來自英特爾 Java 性能架構師 Eric Kaczmarek 探討了如何針對 100% YCSB 讀取調(diào)整 Apache HBase 的 Java 垃圾回收 (GC）
背景：企業(yè)Hbase GC時間長，造成Hbase請求超時
? ? ?Apache HBase是一個提供 NoSQL 數(shù)據(jù)存儲的 Apache 開源項目。HBase 通常與 HDFS 一起使用，在世界范圍內(nèi)被廣泛使用。知名用戶包括 Facebook、Twitter、Yahoo 等。從開發(fā)人員的角度來看，HBase 是一個“分布式、版本化、非關系型數(shù)據(jù)庫，仿照 Google 的 Bigtable，一個用于結(jié)構化數(shù)據(jù)的分布式存儲系統(tǒng)”。HBase 可以通過縱向擴展（即部署在更大的服務器上）或橫向擴展（即部署在更多服務器上）輕松處理非常高的吞吐量。
? ? 從用戶的角度來看，每個查詢的延遲非常重要。當我們與用戶一起測試、調(diào)整和優(yōu)化 HBase 工作負載時，我們現(xiàn)在遇到了很多真正想要 99% 操作延遲的人。這意味著從客戶端請求到返回客戶端的響應的往返行程，全部在 100 毫秒內(nèi)完成。
? ? ?有幾個因素會導致延遲的變化。最具破壞性和不可預測的延遲入侵者之一是 Java 虛擬機 (JVM) 的“stop the world”垃圾收集（內(nèi)存清理）暫停。
? ? 為了解決這個問題，我們使用 Oracle jdk7u21 和 jdk7u60 G1 (Garbage 1st) 收集器嘗試了一些實驗。我們使用的服務器系統(tǒng)基于具有超線程（40 個邏輯處理器）的 Intel Xeon Ivy-bridge EP 處理器。它有 256GB DDR3-1600 RAM 和三個 400GB SSD 作為本地存儲。這個小型設置包含一個主站和一個從站，配置在一個節(jié)點上，負載適當縮放。我們使用 HBase 版本 0.98.1 和本地文件系統(tǒng)來存儲 HFile。HBase測試表配置為4億行，大小為580GB。我們使用默認的 HBase 堆策略：40% 用于 blockcache，40% 用于 memstore。YCSB 用于驅(qū)動 600 個工作線程向 HBase 服務器發(fā)送請求
? ? ?以下圖表顯示 jdk7u21 使用.?我們指定了要使用的垃圾收集器、堆大小和所需的垃圾收集 (GC)“停止世界”暫停時間。-XX:+UseG1GC?-Xms100g?-Xmx100g?-XX:MaxGCPauseMillis=100
在這種情況下，我們遇到了劇烈波動的 GC 暫停。在初始峰值達到 17.5 秒后，GC 暫停的范圍從 7 毫秒到 5 整秒。下圖顯示了穩(wěn)態(tài)期間的更多詳細信息：
圖 2 告訴我們 GC 暫停實際上分為三個不同的組：(1) 在 1 到 1.5 秒之間；(1) 在 1 到 1.5 秒之間；(2) 0.007秒至0.5秒之間；(3) 尖峰在 1.5 秒到 5 秒之間。這很奇怪，所以我們測試了最近發(fā)布的jdk7u60，看看數(shù)據(jù)是否有任何不同：
我們使用完全相同的 JVM 參數(shù)運行相同的 100% 讀取測試：.-XX:+UseG1GC?-Xms100g?-Xmx100g?-XX:MaxGCPauseMillis=100
? ???Jdk7u60 大大提高了 G1 在穩(wěn)定階段處理初始尖峰后的暫停時間尖峰的能力。Jdk7u60 在一小時的運行中產(chǎn)生了 1029 次年輕的和混合的 GC。GC 大約每 3.5 秒發(fā)生一次。Jdk7u21 進行了 286 次 GC，每次 GC 大約每 12.6 秒發(fā)生一次。Jdk7u60 能夠?qū)和r間控制在 0.302 到 1 秒之間，而沒有出現(xiàn)大的峰值。
下面的圖 4 讓我們更仔細地觀察了穩(wěn)定狀態(tài)下 150 次 GC 暫停：
在穩(wěn)定狀態(tài)下，jdk7u60 能夠?qū)⑵骄鶗和r間保持在 369 毫秒左右。比jdk7u21好很多，但是還是達不到我們給的100毫秒的要求。–Xx:MaxGCPauseMillis=100
為了確定我們還能做些什么來獲得 1 億秒的暫停時間，我們需要更多地了解 JVM 的內(nèi)存管理和 G1（垃圾優(yōu)先）垃圾收集器的行為。下圖顯示了 G1 如何進行 Young Gen 收集。
當 JVM 啟動時，根據(jù) JVM 啟動參數(shù)，它要求操作系統(tǒng)分配一個大的連續(xù)內(nèi)存塊來托管 JVM 的堆。該內(nèi)存塊由 JVM 劃分為多個區(qū)域。
如圖 6 所示，Java 程序使用 Java API 分配的每個對象首先進入左側(cè)年輕代的 Eden 空間。一段時間后，Eden 變滿，觸發(fā)了 Young generation GC。仍然被引用（即“活著”）的對象被復制到 Survivor 空間。當對象在年輕代中存活了幾次 GC 后，它們就會被提升到老年代空間。當 Young GC 發(fā)生時，Java 應用程序的線程會停止，以便安全地標記和復制活動對象。這些停止是臭名昭著的“停止世界”GC 暫停，這使得應用程序在暫停結(jié)束之前沒有響應。
老一代也會變得擁擠。在某個級別（由默認為總堆的 45% 控制）會觸發(fā)混合 GC。它收集年輕一代和老一代。混合 GC 暫停由年輕代在混合 GC 發(fā)生時清理所需的時間控制。-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=?
所以我們可以在 G1 中看到，“停止世界”GC 暫停主要取決于 G1 標記和復制活動對象到 Eden 空間之外的速度。考慮到這一點，我們將分析 HBase 內(nèi)存分配模式將如何幫助我們調(diào)整 G1 GC 以獲得我們期望的 100 毫秒暫停。
在 HBase 中，有兩個內(nèi)存結(jié)構消耗了它的大部分堆：用于BlockCache讀取操作的緩存 HBase 文件塊，以及緩存最新更新的 Memstore。
新對象形成LruBlockCache，Memstore首先進入Young generation的Eden空間。如果它們存活的時間足夠長（即，如果它們沒有被逐出LruBlockCache或從 Memstore 中清除），那么在幾次 GC 之后，它們就會進入 Java 堆的老年代。當 Old generation 的可用空間小于給定threshOld（InitiatingHeapOccupancyPercent開始）時，混合 GC 開始并清除 Old generation 中的一些死對象，從 Young gen 復制活動對象，并重新計算 Young gen 的 Eden 和 Old gen 的HeapOccupancyPercent.?最終，當HeapOccupancyPercent達到一定水平時，FULL GC會發(fā)生一個巨大的“停止世界” GC 暫停以清理 Old gen 中的所有死亡對象。
在研究了“”生成的 GC 日志之后，我們注意到在 HBase 100% 讀取期間，它從未增長到足以引發(fā)完整 GC 的程度。我們看到的 GC 暫停主要由年輕一代“停止世界”暫停和隨時間增加的引用處理所主導。-XX:+PrintGCDetails?-XX:+PrintGCTimeStamps?-XX:+PrintAdaptiveSizePolicyHeapOccupancyPercent
完成該分析后，我們對默認的 G1 GC 設置進行了三組更改：
Use開啟該標志時，GC在Young和mixed GC時使用多線程處理不斷增加的引用。使用 HBase 的這個標志，GC 重新標記時間減少了 75%，整體 GC 暫停時間減少了 30%。-XX:+ParallelRefProcEnabled
Set -XX:-ResizePLAB and -XX:ParallelGCThreads=8+(logical processors-8)(5/8)Promotion Local Allocation Buffers (PLAB) 在 Young 收集期間使用。使用了多個線程。每個線程可能需要在 Survivor 或 Old 空間中為正在復制的對象分配空間。PLAB 需要避免線程競爭管理空閑內(nèi)存的共享數(shù)據(jù)結(jié)構。每個 GC 線程都有一個 PLAB 用于 Survival 空間，一個用于 Old 空間。我們希望停止調(diào)整 PLAB 的大小，以避免 GC 線程之間的大量通信成本，以及每次 GC 期間的變化。我們希望將 GC 線程的數(shù)量固定為 8+(logical processors-8)( 5/8). 這個公式是 Oracle 最近推薦的。通過這兩個設置，我們能夠在運行期間看到更平滑的 GC 暫停。
將 100GB 堆的默認值從 5更改為 1 根據(jù) 的輸出，我們注意到 G1 未能滿足我們期望的 100GC 暫停時間的原因是處理 Eden 所花費的時間。換句話說，在我們的測試中，G1 平均需要 369 毫秒來清空 5GB 的 Eden。然后，我們使用標志將 Eden 大小從 5 降低到 1。通過此更改，我們看到 GC 暫停時間減少到 100 毫秒。-XX:G1NewSizePercent-XX:+PrintGCDetails and -XX:+PrintAdaptiveSizePolicy-XX:G1NewSizePercent=
- 從這個實驗中，我們發(fā)現(xiàn) G1 清理 Eden 的速度約為每 100 毫秒 1GB，或者對于我們使用的 HBase 設置，每秒 10GB。
32GB 堆，
-XX:G1NewSizePercent=364GB 堆，-
XX:G1NewSizePercent=2100GB及以上堆，
-XX:G1NewSizePercent=1所以我們最終的 HRegionserver 命令行選項是：
-XX:+UseG1GC-Xms100g?-Xmx100g（我們測試中使用的堆大?。?/span>-XX:MaxGCPauseMillis=100（測試中所需的 GC 暫停時間）–
XX:+ParallelRefProcEnabled-XX:-ResizePLAB-XX:ParallelGCThreads=?8+(40-8)(5/8)=28-XX:G1NewSizePercent=1
基于該速度，我們可以設置Eden 大小可以保持在 1GB 左右。例如：-XX:G1NewSizePercent=
這是運行 100% 讀取操作 1 小時的 GC 暫停時間圖表：
在此圖表中，即使是最高的初始穩(wěn)定峰值也從 3.792 秒減少到 1.684 秒。最開始的峰值不到 1 秒。結(jié)算后，GC 能夠?qū)和r間保持在 100 毫秒左右。下圖比較了 jdk7u60 在穩(wěn)定狀態(tài)下使用和不使用調(diào)優(yōu)的運行情況：
我們上面描述的簡單 GC 調(diào)整給出了理想的 GC 暫停時間，大約 100 毫秒，平均 106 毫秒和 7 毫秒標準偏差。
經(jīng)驗總結(jié)：
HBase 是一個響應時間關鍵的應用程序，它要求 GC 暫停時間是可預測和可管理的。使用 Oracle jdk7u60，根據(jù)報告的 GC 信息，我們能夠?qū)?GC 暫停時間調(diào)低到我們想要的 100 毫秒。-XX:+PrintGCDetails?-XX:+PrintGCTimeStamps?-XX:+PrintAdaptiveSizePolicy
