Spring Cloud Gateway下的GC停顿排查之旅

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   背景

在微服务架构体系流行的当下，Spring Cloud全家桶已经是大多数团队的首选，我们也不例外，并且选择了Spring Cloud Gateway作为了业务网关，进行了一些通用能力的开发，如鉴权、路由等等。作为一个成熟的框架，我们已经使用了很长时间都没有出现问题，表现十分稳定。然而最近突然出现短时间内的5xx告警，起先没引起注意，认为是网络的问题，但是后来发现每隔一段时间（一两个星期），就会出现一次5xx的告警，而且会持续十几秒到半分钟之久。在经过排查之后，发现居然是logback日志产生了大量的FinalReference而导致了GC长时间停顿，那为什么logback的日志会产生大量FinalReference以及导致长达十多秒的gc停顿呢，本文对本次的排查过程以及涉及到技术知识进行详细的介绍。

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   问题排查

根据几次的观察，发现应该不是偶然现象，于是开始着手排查。首先看CPU和内存，发现CPU平稳，利用率在20%左右，可以排除因为流量原因导致CPU被打挂的可能了。但是，看到内存，有一个容器实例突然增高很多，于是开始怀疑是不是内存泄漏之类的问题，方向逐步往JVM方向排查。

面对内存突然升高，朴素的想法是内存泄漏，因为SpringCloudGateway的底层用的是Netty，如果没有及时释放ByteBuf，则会造成内存泄露。由于，之前就遇到过类似的问题，在程序的某个路径下，因为修改了response但又未及时释放，导致了内存泄漏。所以，很自然地想到，是不是有类似的情况导致了没有及时释放内存。但是，在开启了-Dio.netty.leakDetection.level的日志后，发现并没有内存泄漏。

另外，如果是内存泄漏的话，程序通常是直接挂了然后重启，而不是半分钟之后又恢复了，且之后内存保持不动，又正常运行了。所以想到的另一种可能，是不是发生fullgc，导致长时间的停顿，使得服务不响应了。于是查看gc log，遗憾的是没有发现full gc的发生。但意外发现的是，在remark阶段耗时高达13秒。由于我们用的是G1GC，所以remark阶段会进行STW，导致程序被卡了13秒之久，进而产生了大量的5xx。基本可以定位问题是发生在了remark阶段的长时间停顿，那到底是什么造成了remark阶段耗时这么久呢？

虽然remark阶段主要做的事情是最终标记（并发标记后最后再标记一次），但这个阶段也会附加一个reference的处理，叫ref-proc。通过添加-XX:+PrintReferenceGC and -XX:+PrintGCDetail后，可以看到remark阶段的详细日志，如下：

可以看到，最终标记Finalize Marking才花了0.0003153秒，真正耗时的是ref-proc，耗时主要发生在FinalReference，花了13.1秒多，看到数量也是惊人的2.3万多的reference。

03

   调优

• 治标缓解
  

找到原因之后，剩下的就是如何调优了，由于耗时是发生在remark的ref-proc这个阶段，主要有两个方向：1. 如何加快处理速度，缩减耗时 2. 如何减少FinalReference的数量。

通过查阅资料，发现可以通过增加-XX:+ParallelRefProcEnabled参数来加速reference的处理，其原理是通过增加处理的线程来并行处理，默认是串行的，只有一个线程处理，而启动并行处理后，就会按cpu数量来创建线程数进行并行处理，即采用了ParallelGCThreads的线程数。

关于ParallelGCThreads的线程数，可以通过 -XX:ParallelGCThreads=n来指定，或者采用默认值。默认情况下，当 CPU 数量小于8， ParallelGCThreads 的值等于 CPU 数量，当 CPU 数量大于 8 时，则使用公式：ParallelGCThreads = 8 + ((N - 8) * 5/8) = 3 +（（5*CPU）/ 8），即对于超过8的cpu数量，选用5/8的比例。其源码如下：

因此，可以通过启用-XX:+ParallelRefProcEnabled来加速ref-proc的处理速度。

但这种方式，只是治标并不治本，只是通过消耗更多的cpu资源来加快处理速度。特别是，我们的容器配置是2核4G的低配实例，即使开启了并行处理，也只是多了一个线程，减少耗时的程度有限，只能缓解问题，但并未根治。为此，只能向第二个方向发力，就是如何减少FinalReference的数量，或者说是什么原因产生了如此多的FinalReference。

我们知道，产生FinalReference的唯一方法就是一个class实现了finalize()方法，那到底是人为的误用实现了finalize()方法，还是引入了有问题的库导致的，为此我们需要dump一份jvm内存来一探究竟。

• 治本探索

为此，可以通过jmap来对内存进行dump。一开始，我们只对存活对象进行dump，即命令如下：jmap -dump:live,format=b,file=heapdump.phrof pid（注意：在dump live的时候，会触发fullgc，所以在生产环境中慎用）

利用Java官方的VisualVM查看dump文件发现，其FinalReference的数量并不多，虽然有很多重复的JarFileWrapper，但类比其他服务的，看起来属于正常的情况。关于JarFileWrapper，其实是SpringBoot的一个bug，其官方已经在新版本修复，点击可跳转相关内容。虽然这是一个bug，但并不是引起本次问题的元凶。

考虑到FinalReference在remark阶段是有两万多的，而这次却只有两千多，数量上差距很多，因此想到一个可能，是不是有很多FinalReference在dump的时候就被gc回收了。为此，再对程序来了一次全量的dump。

发现果然多了很多Finalizer，有六千多。但仔细对比发现，多出来的Finalizer，都是没有引用对象的（referent为null），即这些Reference的引用对象早就被垃圾回收了。这个时候就会有个疑问，难道是这些已经失去引用对象的Reference造成了gc时ref-proc耗时过长？要回答这个问题，就需要我们去深入了解jvm在gc时，到底是怎么处理Reference的。

04

   Reference的处理过程

先来回顾下，Reference类的生命周期，如从new SoftReference(obj)开始，对于FinalReference，则只需要new实现了finalize()方法的class，jvm内部会实现类似new FinalReference(obj)的操作。对于一个Reference，会经历active -> pending -> enqueued -> inactive这些状态。

其大致的流程如下：

从图中可以看到，整个过程有三个队列：discovered队列、pending队列、ReferenceQueue队列，当对象进入pending队列后，后续流程则进入应用程序阶段，即可以通过ReferenceHandler来进行实现特殊功能，具体可以参考ReferenceHandler#tryHandlePendingx0;方法。而进入pending之前的阶段，也就是从对象生成new之后，到进入discovered队列以及到pending队列，这些都是由JVM来完成的，而GC的ref-proc正是工作在这个阶段。

Reference在JVM中的执行步骤大致如下（点击可跳转相关源码）：

• GC标记时，对Reference对象进行判断，调用discover_reference方法，如果是active，则加入discoveredList队列;

• 遍历discoveredList队列，调用process_discovered_references方法，对每一个Reference进行处理，如果引用的referent仍然是存活的，则踢出队列中；剩下的，根据Reference类型执行对应的操作（例如对于SoftReference进行保活操作）;

• 在process阶段之后，会进入enqueue阶段，即调用enqueue_discovered_references方法，将上一步过滤完之后的discoveredList队列中的Reference实例加入到pending队列中（pending队列是由Reference静态属性pending和实例属性discovered构成的一个链表）。同时更新Reference实例的next属性指向它自己，即将Reference实例标记成Pending状态。这个过程，即是所谓的enque阶段，注意这里enque的队列并不是ReferenceQueue，而是pending队列；

• 然后是由ReferenceHandler这个backgroud线程不断的从pending队列中将实例取出并放入ReferenceQueue中，并将实例属性discovered置为null，即处于enqueued状态；

• 最后，由应用程序从ReferenceQueue中获取实例，进行处理，此时会将实例的next属性置为null，即inactive状态，参见ReferenceQueue#reallyPollx0;的方法。

至此，我们可以根据Reference实例的discovered和next属性值来确定所属状态。

• Active: discovered == null

• Pending: discovered != null

• Queued: next != null && next != this && discovered == null

• Inactive: next == this && discovered == null

另外，可以看到，这五个步骤中，其中第一步发生在gc标记的时期，第四、第五步发生在用户程序阶段，只有第二、第三步才是gc阶段JVM做的事情，也就是ref-proc阶段的操作。

至此，我们看到那些referent已经为空的Finalizer，其实都是Inactive的状态了。也就是说，这些Finalizer是不会进入当前ref-proc阶段的，它们应该是上一次gc ref-proc之后被加入到pending队列后，最终处理完并成为Inactive的。

在通过对ref-proc阶段的深入了解后，可以发现，一定是存在着两万多个active状态的Finalizer，导致了remark时候ref-proc耗时过长。那到底是什么样的class产生了如此多的Fianlizer？要想知道具体的实例情况，只能通过dump去分析。由于是时隔一两个星期才会出现一次，所以想要抓到有分析价值的dump也很难。在历经长时间多次的dump之后，通过将跨度一两个星期的dump文件进行对比，终于发现了端倪。

05

   拨云见日

在通过对比前后两星期的dump文件发现，随着程序的运行，越来越多的FileOutputStream出现，而这些都是用来打日志的，并且都是同名的日志文件出现了几千次。这么对比下来，基本可以确定原因了，但是FileOutStream是java基础库的类，按道理不应该会出现问题才对。

首先，看了下FileOutputStream的源码，的确是实现了finalize()方法，所以被Finalizer引用很正常。

其finalize()作用就是防止文件没有被正常关闭就被回收了，这是finalize()方法的一个典型用法，看起来一切都挺正常的。

因此，为了确信的确是由FileOutputStream引起大量的FinalReference，通过写一个小程序来模拟：

然后查看gc日志，发现是的确能产生这么多FinalReference的：在确定是FileOutputStream产生大量FinalReference后，接下来就是确认是谁创造了这么多的FileOutputStream，通过dump文件里的引用关系，发现FileOutputStream的创建都来自于ResilientFileOutputStream，它是logback的一个类。而ResilientFileOutputStream的创建也只来自于一个地方，就是每次创建新的日志文件的时候才会生成新的ResilientFileOutputStream。也就是有一个日志文件才会有一个FileOutputStream，那是不是我们有特别多的日志文件呢？查看容器实例，发现的确会打印出大量的日志文件，几乎一个小时就有十几个文件，在查看下logback的配置xml，发现目前的配置是每100M一个文件，所以会产生很多FileOutputStream是可以解释的。

那最后还有一个困扰的问题，假设一个小时有15个日志文件，一天24小时，也就360个文件，总共有三种日志类型，相当于一天近一千个日志文件。那为什么会有两万多个FinalReference呢？这里我们通过查看gc日志，发现两个星期里只做了一次老年代的mixed gc，也就是这些FinalReference一直没有被回收，存在了两个星期后，才触发了一次mixed gc，才导致了一次性回收这么多的FinalReference。

经过这么看，一下子全解释通了，所有的程序都没有问题，只是由于老年代mixed gc长时间才做一次，导致了reference的大量堆积。这的确也是一个新的现象，因为一般都认为老年代gc做的越少，java的gc效果越好，但没想到过长时间不做老年代gc竟然会引发reference的问题。

关于为什么会这么长时间才做老年代gc，主要原因是因为Spring Cloud Gateway是作为业务网关的，所以没有太复杂的逻辑，创建的对象都是朝生夕死的，直接都在年轻代gc就被回收了。另外，Spring Cloud Gateway的基础是Netty，Netty是在堆外内存创建Request和Response，这样也减少了堆内垃圾的产生（作为网关，很多时候的对象就只是对request和response的操作）。另一方面，目前运行的程序中有一项参数-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=55比默认值是45稍微高了些，这也进一步降低了老年代的回收频次。

注：InitiatingHeapOccupancyPercent是触发老年代mixed gc的阈值，其含义是当老年代的内存占比超过整个堆的数量时，则触发mixed gc。

在解释完上面所有的情景之后，优化的措施也就浮出水面，我们通过增大单个日志的体积来降低产生日志的分片数，进而降低FinalReference的数量，同时打开-XX:+ParallelRefProcEnabled，加快回收速度。另外由于老年代gc出发频率实在太低，我们也降低了XX:InitiatingHeapOccupancyPercent的值，让其触发老年代gc的频次快一些，这样积累的reference数量就会少很多。

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   总结

本文对Spring Cloud Gateway应用过程中遇到的remark阶段由于大量FinalReference导致的长时间停顿进行了详细的分析。其主要优化的难点主要在于对java reference不够熟悉，特别是jvm底层对reference的操作，即ref-proc阶段具体的过程，导致分析的时候会产生很多障碍。另外，也是从本次问题中，了解到了两个非直观的经验：

• 少用finalize，即使是正确的用法（如FileOutputStream），也可能会导致FinalReference过多，引发ref-proc阶段的长时间停顿

• 老年代gc不是触发频次越少越好，也需要控制在适当范围内，过长时间不触发，会导致“重型回收对象”大量堆积，导致单次gc时间过长。

参考资料

[1]https://zhuanlan.zhihu.com/p/540796318

[2]https://zhuanlan.zhihu.com/p/165285835

[3]https://juejin.cn/post/6942026483489734693

[4]https://zhuanlan.zhihu.com/p/371985669

[5]https://www.cnblogs.com/mazhimazhi/p/13503800.html

[6]https://blog.csdn.net/qq_31865983/article/details/104070299[7]https://hg.openjdk.org/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/b44df6c5942c/src/share/vm/memory/referenceProcessor.cpp#l892

[8]https://github.com/spring-projects/spring-boot/issues/28042

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