Java ZGC Ottimizzazione dell’algoritmo

Java ZGC Algoritmo ottimizzato

ZGC è un garbage collector specializzato che si concentra sulla gestione di grandi heap e sulla riduzione delle pause nelle applicazioni Java. Affronta le sfide della raccolta dei rifiuti in scenari in cui sono fondamentali carichi di lavoro intensivi in memoria e tempi di risposta costanti. Sfruttando le capacità di elaborazione concorrente e gli algoritmi avanzati, ZGC offre una soluzione efficace per ottimizzare le prestazioni nelle moderne applicazioni Java. In questo post, esploreremo tecniche per ottimizzare specificamente ZGC per prestazioni migliorate. Tuttavia, se desideri approfondire le basi dell’ottimizzazione della Garbage Collection, puoi guardare questa presentazione alla conferenza JAX London.

Parametri di ottimizzazione di ZGC

ZGC, un garbage collector in Java, adotta un approccio diverso all’ottimizzazione minimizzando il numero di parametri JVM esposti. A differenza dei tradizionali garbage collector che richiedono regolazioni dettagliate, ZGC si concentra sull’ottimizzazione della gestione di grandi dimensioni dell’heap, fornendo al contempo una raccolta dei rifiuti efficiente con un overhead di configurazione minimo. Questo approccio snello consente agli sviluppatori di concentrarsi principalmente su un parametro chiave di JVM per l’ottimizzazione: la dimensione dell’heap.

1. Dimensione dell’Heap (-Xmx<size>)

Il parametro ‘Dimensione dell’Heap’ è una scelta di ottimizzazione cruciale per ZGC. Determina la quantità massima di memoria allocata per l’heap Java, in cui gli oggetti vengono memorizzati durante l’esecuzione dell’applicazione Java.

Quando si configura la dimensione dell’heap per ZGC, ci sono alcuni fattori da considerare. Innanzitutto, è necessario assicurarsi che l’heap possa ospitare l’insieme di dati attivi dell’applicazione, che include tutti gli oggetti utilizzati attivamente durante l’esecuzione. L’allocazione di una dimensione dell’heap troppo piccola può comportare frequenti raccolte dei rifiuti e tempi di pausa aumentati, poiché ZGC dovrà essere eseguito più frequentemente per recuperare la memoria.

D’altra parte, l’allocazione di una dimensione dell’heap troppo grande può comportare spreco di risorse di memoria. È importante trovare un equilibrio tra l’utilizzo della memoria e la frequenza della raccolta dei rifiuti. La dimensione ottimale specifica dell’heap dipenderà da fattori come i requisiti di memoria dell’applicazione, la dimensione dell’insieme di dati attivi e la disponibilità complessiva della memoria del sistema.

Per specificare la dimensione dell’heap, utilizza il flag -Xmx<size> durante l’avvio dell’applicazione Java, dove <size> rappresenta la dimensione desiderata dell’heap. Ad esempio, -Xmx32g imposta la dimensione massima dell’heap su 32 gigabyte.

2. Thread Concurrenti di Garbage Collection (-XX:ConcGCThreads=<number>)

Un’altra opzione di ottimizzazione interessante da considerare è il numero di thread di garbage collection (GC) concorrenti in ZGC, che può essere configurato utilizzando il flag -XX:ConcGCThreads=<number>. ZGC dispone di euristiche incorporate per selezionare automaticamente il numero ottimale di thread in base alle caratteristiche dell’applicazione. L’euristica predefinita in ZGC di solito funziona bene per la maggior parte degli scenari. Tuttavia, a seconda del comportamento specifico e dei requisiti dell’applicazione, potrebbe essere necessario regolare il numero di thread di GC concorrenti. Questo parametro determina quanto tempo CPU viene allocato al garbage collector. L’allocazione di troppi thread può comportare un utilizzo eccessivo della CPU da parte del GC, togliendo risorse preziose dalla tua applicazione. D’altra parte, l’allocazione di troppi pochi thread può rallentare le prestazioni del GC.

A partire da JDK 17, ZGC ha introdotto la scalabilità dinamica del numero di thread di GC concorrenti. Ciò significa che ZGC può regolare automaticamente il numero di thread in base al carico di lavoro, rendendo meno probabile che tu debba regolare manualmente questo parametro.

3. Abilitazione Pagine Grandi (-XX:+UseLargePages)

La configurazione di ZGC per utilizzare pagine grandi può migliorare il throughput, ridurre la latenza e migliorare il tempo di avvio. Le pagine grandi, anche note come pagine enormi, hanno una dimensione di 2MB sui sistemi Linux/x86. Le pagine grandi sono pagine di memoria più grandi della dimensione standard. Offrono vantaggi come la riduzione dell’overhead di gestione della memoria e il miglioramento dell’efficienza di accesso alla memoria.

Per abilitare le pagine grandi in ZGC, è necessario configurare l’opzione -XX:+UseLargePages nel JVM.

Nota: L’abilitazione delle pagine grandi richiede determinate configurazioni da effettuare a livello di sistema operativo. Queste configurazioni, come l’assegnazione di memoria al pool di pagine grandi e l’installazione del sistema di file hugetlbfs, sono al di fuori del campo di applicazione di questo post.

4. Abilitazione Pagine Trasparenti (-XX:+UseTransparentHugePages)

Un’alternativa all’uso esplicito di pagine grandi (come descritto sopra) è utilizzare le Pagine Enormi Trasparenti (THP). THP è una funzionalità nel kernel Linux che aggrega automaticamente le pagine di memoria standard in pagine enormi più efficienti. L’obiettivo di THP è migliorare la gestione della memoria riducendo il sovraccarico associato alla gestione delle singole pagine. Raggruppando più pagine standard in una singola pagina enorme (di solito di dimensioni 2MB), THP può potenzialmente migliorare le prestazioni.

Per abilitare le Pagine Enormi Trasparenti nella JVM, è possibile utilizzare l’opzione -XX:+UseTransparentHugePages. Ciò consente all’applicazione Java di sfruttare le grandi pagine di memoria aggregate gestite dal sistema operativo. È importante notare che THP può introdurre picchi di latenza in determinati scenari, rendendolo meno adatto per applicazioni sensibili alla latenza. Prima di abilitare THP, si consiglia di valutarne l’impatto sul carico di lavoro specifico e sui requisiti di prestazioni.

Nota: La configurazione e la gestione delle Pagine Enormi Trasparenti a livello di kernel potrebbero richiedere passaggi aggiuntivi e le specifiche sono al di là dello scopo di questo post.

5. Abilitazione del supporto NUMA (-XX:+UseNUMA)

ZGC supporta NUMA, il che significa che farà del suo meglio per indirizzare le allocazioni di heap Java alla memoria NUMA locale. NUMA sta per Accesso Non Uniforme alla Memoria e si riferisce al design dell’architettura utilizzato nei sistemi multi-socket. Nei sistemi NUMA, la memoria è divisa in più nodi di memoria, con ciascun nodo associato a un processore o socket specifico. Ogni processore ha un accesso più veloce al proprio nodo di memoria locale rispetto all’accesso ai nodi di memoria remoti.

Per impostazione predefinita, ZGC abilita il supporto NUMA, consentendogli di sfruttare i vantaggi delle architetture NUMA. Rileva e utilizza automaticamente i nodi di memoria locali per ottimizzare l’accesso alla memoria e migliorare le prestazioni. Tuttavia, se la JVM rileva che è vincolata a utilizzare la memoria su un singolo nodo NUMA, il supporto NUMA verrà disabilitato.

Nella maggior parte dei casi, non è necessario configurare esplicitamente il supporto NUMA. Tuttavia, se si desidera sovrascrivere la decisione della JVM, è possibile utilizzare le seguenti opzioni:

Per abilitare esplicitamente il supporto NUMA: -XX:+UseNUMA

Per disabilitare esplicitamente il supporto NUMA: -XX:-UseNUMA

Nota: Il supporto NUMA è particolarmente rilevante nei sistemi x86 multi-socket o in altri sistemi con architettura NUMA. Potrebbe non avere un impatto significativo sulle prestazioni nei sistemi con un solo socket o non NUMA.

6. Restituzione della memoria inutilizzata al sistema operativo (-XX:+ZUncommit)

ZGC è progettato in modo efficiente per gestire dimensioni di heap grandi. Allocare una dimensione di heap grande quando l’applicazione non ne ha bisogno può comportare un utilizzo inefficiente della memoria. Per impostazione predefinita, ZGC annulla l’allocazione di memoria inutilizzata, restituendola al sistema operativo. Questa funzionalità può essere disabilitata utilizzando -XX:-ZUncommit.

ZGC garantisce che la memoria non venga annullata in misura tale da far diminuire la dimensione dell’heap al di sotto della dimensione minima specificata (-Xms). Di conseguenza, se la dimensione minima dell’heap è impostata per corrispondere alla dimensione massima dell’heap (-Xmx), la funzionalità di annullamento verrà disabilitata implicitamente.

Per fornire flessibilità nella gestione della memoria non annullata, ZGC consente di configurare un ritardo di annullamento utilizzando l’opzione -XX:ZUncommitDelay=<secondi>, con un ritardo predefinito di 300 secondi. Questo ritardo specifica la durata per cui la memoria deve rimanere inutilizzata prima di diventare idonea per l’annullamento.

NOTA: Consentire a ZGC di allocare e annullare la memoria durante l’esecuzione dell’applicazione può potenzialmente influire sul tempo di risposta dell’applicazione. Se l’obiettivo primario è ottenere una latenza estremamente bassa utilizzando ZGC, si consiglia di impostare lo stesso valore per la dimensione massima dell’heap (-Xmx) e la dimensione minima dell’heap (-Xms). Inoltre, l’utilizzo dell’opzione -XX:+AlwaysPreTouch può essere vantaggioso, poiché pre-paginare la memoria prima dell’avvio dell’applicazione ottimizza le prestazioni e riduce la latenza.

Modifica del comportamento di ZGC

Lo studio delle caratteristiche di performance di ZGC è meglio realizzato analizzando il registro GC. Il registro GC contiene informazioni dettagliate sugli eventi di garbage collection, sull’utilizzo della memoria e su altre metriche rilevanti. Ci sono diversi strumenti disponibili che possono assistere nell’analisi del registro GC, come GCeasy, IBM GC & Memory visualizer, HP Jmeter e Google Garbage Cat. Utilizzando questi strumenti, è possibile visualizzare i modelli di allocazione della memoria, identificare potenziali colli di bottiglia e valutare l’efficienza della garbage collection. Ciò consente di prendere decisioni informate nella modifica di ZGC per ottenere prestazioni ottimali.

Conclusion

In conclusione, questo post ha discusso vari parametri di configurazione per ZGC sul JVM, con l’obiettivo di ottimizzare le sue prestazioni nelle applicazioni Java. Sfruttando queste opzioni di configurazione, gli sviluppatori possono regolare ZGC per ottenere prestazioni ottimali in base alle loro specifiche esigenze. Inoltre, analizzando attentamente il log della GC e monitorando il comportamento di ZGC, è possibile ottenere preziose informazioni sulle sue caratteristiche di prestazioni. Sperimentando con questi parametri di configurazione e monitorando attentamente il log della GC, gli sviluppatori possono sbloccare il pieno potenziale di ZGC e garantire un’efficiente garbage collection nelle loro applicazioni Java.