JVM调优
1 JVM的内存模型
JVM的内存区域划分可分为：1.堆内存空间、2.Java虚拟机栈区域、3.程序计数器、4.本地方法栈、5.元空间区域、6.直接内存。
堆内存空间：JVM中占用内存空间最大的是堆，平常对象的创建大部分都是在堆上分配内存的，是垃圾回收的主要目标和方向。
本地方法栈区域：Native Mehod Stack与Java虚拟机栈的作用非常相似，区别是Java虚拟机栈为虚拟机执行Java方法或者为字节码而服务，本地方法栈是为了Java 虚拟机栈得到Native方法。
Java虚拟机栈区域：负责Java的解释过程、程序的执行过程、入栈和出栈，它是与线程相关的，当启动一个新的线程时，Java程序就会分配一个Java 虚拟机栈提供运行；Java 虚拟机栈从方法入栈到具体字节码执行是一个双层栈结构，可以栈里包含栈。
程序计数器：记录线程执行位置，线程私有，因为操作系统不停的调度，无法获取到线程被调度之前的位置，程序计数器提供了这样一个线程执行位置。
元空间区域：在原来的老的Java 7之前划分中，永久代用来存放类的元数据信息、静态变量以及常量池等。在现在Java8后类的元信息存储在元空间中，静态变量和常量池等并入堆中，相当于原来的永久代中的数据，被元空间和堆内存给瓜分了。
直接内存：使用了Java 的直接内存的API的内存，例如缓冲ByteBuffer，可以控制虚拟机参数调整大小，而本地内存是使用了native函数操作的内存，是不受JVM管理控制。
堆内存空间
JVM回收的主要目标是堆内存，对象主要的创建分配内存在堆上进行，堆可以想象成一个对象池子，对象不停创建放入池子中，而JVM垃圾回收是不停的回收池子中一些被标记为可回收对象的对象，启动回收线程进行打扫战场，当回收对象的速度赶不上程序的创建时，池子就会立马满，当满了之后从而发生溢出，就是常见的OOM。
GC的速度和堆的内存中存活对象的数量有关，与堆内存所有的对象无关，GC的速度和堆内存的大小无关，如一个4GB大小的堆内存和一个16GB的堆内存，只要2个堆内存存活对象都是一样多的时候，GC速度都是基本差不多。每次垃圾回收也不是必须要把垃圾清理干净，重要的是保证不把正在使用的对象给标记清除掉。
2.JVM调优
不得不考虑进行JVM调优的是那些情况呢？
Heap内存（老年代）持续上涨达到设置的最大内存值；
Full GC 次数频繁；
GC 停顿时间过长（超过1秒）；
应用出现OutOfMemory 等内存异常；
应用中有使用本地缓存且占用大量内存空间；
系统吞吐量与响应性能不高或下降。
2.1JVM调优的目标
吞吐量、延迟、内存占用三者类似CAP，构成了一个不可能三角，只能选择其中两个进行调优，不可三者兼得。
延迟：GC低停顿和GC低频率；
低内存占用；
高吞吐量;
选择了其中两个，必然会会以牺牲另一个为代价。
下面展示了一些JVM调优的量化目标参考实例：
Heap 内存使用率 <= 70%;
Old generation内存使用率<= 70%;
avgpause <= 1秒;
Full gc 次数0 或 avg pause interval >= 24小时 ;
注意：不同应用的JVM调优量化目标是不一样的。
2.2、JVM调优的步骤
一般情况下，JVM调优可通过以下步骤进行：
分析系统系统运行情况：分析GC日志及dump文件，判断是否需要优化，确定瓶颈问题点；
确定JVM调优量化目标；
确定JVM调优参数（根据历史JVM参数来调整）；
依次确定调优内存、延迟、吞吐量等指标；
对比观察调优前后的差异；
不断的分析和调整，直到找到合适的JVM参数配置；
找到最合适的参数，将这些参数应用到所有服务器，并进行后续跟踪。
以上操作步骤中，某些步骤是需要多次不断迭代完成的。一般是从满足程序的内存使用需求开始的，之后是时间延迟的要求，最后才是吞吐量的要求，要基于这个步骤来不断优化，每一个步骤都是进行下一步的基础，不可逆行。
3.jvm内存分析
3.1 内存快照生成
当发生线上应用告警，告警相关内存故障问题时， 应当如何进行故障排查呢？首先应用在发生内存溢出无法执行时，应DUMP当前内存快照，需要在Java程序执行启动命令时添加上：
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-XX:HeapDumpPath=${filePath} 参数
当发生时自动生成一份当前内存快照，方便与开发人员使用快照文件进行问题诊断分析。
在Java应用运行时，想手动生成内存快照，可以使用JDK自带几个问题排查工具，可以使用jmap工具生成指定PID内存快照，不过需要耗费较长的一个时间，会暂停应用程序执行，使用jcmd工具可以快速的DUMP内存快照，因为在堆转储存文件过程中，jcmd可以利用虚拟机中的一些优化技术，例如分代堆、增量式垃圾回收等技术，相比传统的jmap效率高很多，一般来说在DUMP内存前会进行一次
Full FC，可以指定屏蔽这次Full GC，保留当前所有内存中的对象。
除了自带的内存诊断工具， 也可以使用Arthas诊断工具，提供了多个命令来帮助诊断内存问题，例如 dashboard（当前Java程序内存实时数据面板）、JVM（查看当前JVM信息，包括使用的gc收集器、内存分区分布情况等信息）、heapdump（当前内存快照类似jmap命令的heap dump）、memory（当前内存分区及占用情况）、monitor（监控模式，可监控内存及查看对象占用情况）profiler（火焰图可以输出多种火焰图，内存分区占用火焰图）等相关内存命令。这些命令可以帮助获取应用程序的内存快照、堆内存使用情况等信息，能快速定位内存问题。
引用：Arthas 命令列表
3.2 dump内存快照分析
（1）jhat 是 Java 开发工具包自带的一款堆内存分析工具，它可以帮助解决 Java 应用程序的内存问题。Jhat 可以读取 Java 应用程序生成的堆转储文件，并以 HTML 格式展示内存中的对象信息和引用关系，支持 OQL 查询和灵活的过滤和排序功能。
用例 jhat dump\Java_pid2680.hprof
.webp)
All classes including platform：列举应用程序中所有类的信息，并快速定位内存问题。
Show all members of the rootset：显示堆内存中所有根对象的信息，包括系统对象、静态对象、本地对象等。
Show instance counts for all classes (including platform)：显示所有类的实例数量。
Show heap histogram：显示程序堆内存的直方图，可以知道每个类的实例数量和占用内存大小等信息，快速知道内存泄漏原因。
（2）jvisualvm也是Java 开发工具包里自带的一款图形化工具，可以用于监控和诊断Java应用程序的性能问题。使用它可以实时查看Java 应用程序的内存使用情况、CPU使用情况、线程情况等，并可以进行内存分析、CPU分析、线程分析等内容。
以Java_pid2680.hprof为例，进行内存分析内存泄漏原因：
（3）MAT 是基于Eclipse的内存分析工具，是一个快速、功能丰富的Java内存分析工具，能够快速的分析出dump文件中各项结果，快速给出内存泄漏原因报告。
还是以Java_pid2680.hprof文件进行分析，比原生的jhat方便很多，功能也比原生的更加丰富：
.webp)
MAT的一些常用功能点介绍（如图所示）：
Overview 标签内容有比较多块内容，其中details末块介绍总共使用内存大小，类的数量，实例的数量，类的加载器，以及实例的内存直方图；
Biggest Objects by Retained Size模块，使用了饼状图列出了当前内存中占用最大的几个对象，按照百分比划分，点击不同的饼状块能够看到具体对象及其对象属性等信息；
actions模块，这里拥有不同的分析功能，Histogram生成视图列出每个类所对应的对象个数以及占用内存大小，Dominator Tree生成视图寻找出大对象，每个实例对象的内存占比比重；
Reports模块是生成报告，其中Leak Suspects可以自动分析内存泄漏主要原因报告，可以通过报告准确定位泄漏原因或者可能造成泄漏的原因，并且可以定位到具体累积实例，线程stack等信息。
例子中：leak Suspects报告给出“0xfe3be480” 非常多内存， Gc root Thread 所引用，在发生gc时，不是可回收对象，无法回收内存，导致内存溢出。
4、JVM参数
下面来看一下JDK的JVM参数。
4.1、基本参数
参数名称 | 含义 | 默认值 | |
|---|---|---|---|
-Xms | 初始堆大小 | 内存的1/64 | 默认(MinHeapFreeRatio参数可以调整)空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制. |
-Xmx | 最大堆大小 | 内存的1/4 | 默认(MaxHeapFreeRatio参数可以调整)空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到 -Xms的最小限制 |
-Xmn | 年轻代大小 | 注意：此处的大小是（eden+ 2 survivor space).与jmap -heap中显示的New gen是不同的。 整个堆大小=年轻代大小 + 年老代大小 + 持久代大小. 增大年轻代后,将会减小年老代大小.此值对系统性能影响较大,Sun官方推荐配置为整个堆的3/8 | |
-XX:NewSize | 设置年轻代大小 | ||
-XX:MaxNewSize | 年轻代最大值 | ||
-XX:PermSize | 设置持久代(perm gen)初始值 | 内存的1/64 | JDK1.8以前 |
-XX:MaxPermSize | 设置持久代最大值 | 内存的1/4 | JDK1.8以前 |
-Xss | 每个线程的堆栈大小 | JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M,以前每个线程堆栈大小为256K.更具应用的线程所需内存大小进行 调整.在相同物理内存下,减小这个值能生成更多的线程.但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的,不能无限生成,经验值在3000~5000左右 一般小的应用， 如果栈不是很深， 应该是128k够用的 大的应用建议使用256k。这个选项对性能影响比较大，需要严格的测试。（校长） 和threadstacksize选项解释很类似,官方文档似乎没有解释,在论坛中有这样一句话:"” -Xss is translated in a VM flag named ThreadStackSize” 一般设置这个值就可以了。 | |
-XX:ThreadStackSize | Thread Stack Size | (0 means use default stack size) [Sparc: 512; Solaris x86: 320 (was 256 prior in 5.0 and earlier); Sparc 64 bit: 1024; Linux amd64: 1024 (was 0 in 5.0 and earlier); all others 0.] | |
-XX:NewRatio | 年轻代(包括Eden和两个Survivor区)与年老代的比值(除去持久代) | -XX:NewRatio=4表示年轻代与年老代所占比值为1:4,年轻代占整个堆栈的1/5 Xms=Xmx并且设置了Xmn的情况下，该参数不需要进行设置。 | |
-XX:SurvivorRatio | Eden区与Survivor区的大小比值 | 设置为8,则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:8,一个Survivor区占整个年轻代的1/10 | |
-XX:LargePageSizeInBytes | 内存页的大小不可设置过大， 会影响Perm的大小 | =128m | |
-XX:+UseFastAccessorMethods | 原始类型的快速优化 | ||
-XX:+DisableExplicitGC | 关闭System.gc() | 这个参数需要严格的测试 | |
-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent | 关闭System.gc() | disabled | Enables invoking of concurrent GC by using the System.gc() request. This option is disabled by default and can be enabled only together with the -XX:+UseConcMarkSweepGC option. |
-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrentAndUnloadsClasses | 关闭System.gc() | disabled | Enables invoking of concurrent GC by using the System.gc() request and unloading of classes during the concurrent GC cycle. This option is disabled by default and can be enabled only together with the -XX:+UseConcMarkSweepGC option. |
-XX:MaxTenuringThreshold | 垃圾最大年龄 | 如果设置为0的话,则年轻代对象不经过Survivor区,直接进入年老代. 对于年老代比较多的应用,可以提高效率.如果将此值设置为一个较大值,则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制,这样可以增加对象再年轻代的存活 时间,增加在年轻代即被回收的概率 该参数只有在串行GC时才有效. | |
-XX:+AggressiveOpts | 加快编译 | ||
-XX:+UseBiasedLocking | 锁机制的性能改善 | ||
-Xnoclassgc | 禁用垃圾回收 | ||
-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB | 每兆堆空闲空间中SoftReference的存活时间 | 1s | softly reachable objects will remain alive for some amount of time after the last time they were referenced. The default value is one second of lifetime per free megabyte in the heap |
-XX:PretenureSizeThreshold | 对象超过多大是直接在旧生代分配 | 0 | 单位字节 新生代采用Parallel Scavenge GC时无效 另一种直接在旧生代分配的情况是大的数组对象,且数组中无外部引用对象. |
-XX:TLABWasteTargetPercent | TLAB占eden区的百分比 | 1% | |
-XX:+CollectGen0First | FullGC时是否先YGC | false |
Jdk7版本的主要参数
参数名称 | 含义 | 默认值 | |
|---|---|---|---|
-XX:PermSize | 设置持久代 | Jdk7版本及以前版本 | |
-XX:MaxPermSize | 设置最大持久代 | Jdk7版本及以前版本 |
Jdk8版本的重要特有参数
参数名称 | 含义 | 默认值 | |
|---|---|---|---|
-XX:MetaspaceSize | 设置初始元空间大小，元空间用于存放类元数据。 | Jdk8版本 | |
-XX:MaxMetaspaceSize | 设置最大元空间大小，以限制其无限增长可能导致的问题。 | Jdk8版本 |
4.2、并行收集器相关参数
参数名称 | 含义 | 默认值 | |
|---|---|---|---|
-XX:+UseParallelGC | Full GC采用parallel MSC (此项待验证) | 选择垃圾收集器为并行收集器.此配置仅对年轻代有效.即上述配置下,年轻代使用并发收集,而年老代仍旧使用串行收集.(此项待验证) | |
-XX:+UseParNewGC | 设置年轻代为并行收集 | 可与CMS收集同时使用 JDK5.0以上,JVM会根据系统配置自行设置,所以无需再设置此值 | |
-XX:ParallelGCThreads | 并行收集器的线程数 | 此值最好配置与处理器数目相等 同样适用于CMS | |
-XX:+UseParallelOldGC | 年老代垃圾收集方式为并行收集(Parallel Compacting) | 这个是JAVA 6出现的参数选项 | |
-XX:MaxGCPauseMillis | 每次年轻代垃圾回收的最长时间(最大暂停时间) | 如果无法满足此时间,JVM会自动调整年轻代大小,以满足此值. | |
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy | 自动选择年轻代区大小和相应的Survivor区比例 | 设置此选项后,并行收集器会自动选择年轻代区大小和相应的Survivor区比例,以达到目标系统规定的最低相应时间或者收集频率等,此值建议使用并行收集器时,一直打开. | |
-XX:GCTimeRatio | 设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比 | 公式为1/(1+n) | |
-XX:+ScavengeBeforeFullGC | Full GC前调用YGC | true | Do young generation GC prior to a full GC. (Introduced in 1.4.1.) |
4.3、CMS相关参数
参数名称 | 含义 | 默认值 | |
|---|---|---|---|
-XX:+UseConcMarkSweepGC | 使用CMS内存收集 | 测试中配置这个以后,-XX:NewRatio=4的配置失效了,原因不明.所以,此时年轻代大小最好用-Xmn设置.??? | |
-XX:+AggressiveHeap | 试图是使用大量的物理内存 长时间大内存使用的优化，能检查计算资源（内存， 处理器数量） 至少需要256MB内存 大量的CPU／内存， （在1.4.1在4CPU的机器上已经显示有提升） | ||
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction | 多少次后进行内存压缩 | 由于并发收集器不对内存空间进行压缩,整理,所以运行一段时间以后会产生"碎片",使得运行效率降低.此值设置运行多少次GC以后对内存空间进行压缩,整理. | |
-XX:+CMSParallelRemarkEnabled | 降低标记停顿 | ||
-XX+UseCMSCompactAtFullCollection | 在FULL GC的时候， 对年老代的压缩 | CMS是不会移动内存的， 因此， 这个非常容易产生碎片， 导致内存不够用， 因此， 内存的压缩这个时候就会被启用。 增加这个参数是个好习惯。 可能会影响性能,但是可以消除碎片 | |
-XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly | 使用手动定义初始化定义开始CMS收集 | 禁止hostspot自行触发CMS GC | |
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70 | 使用cms作为垃圾回收 使用70％后开始CMS收集 | 92 | 为了保证不出现promotion failed(见下面介绍)错误,该值的设置需要满足以下公式CMSInitiatingOccupancyFraction计算公式 |
-XX:CMSInitiatingPermOccupancyFraction | 设置Perm Gen使用到达多少比率时触发 | 92 | |
-XX:+CMSIncrementalMode | 设置为增量模式 | 用于单CPU情况 | |
-XX:+CMSClassUnloadingEnabled |
4.4、辅助信息
参数名称 | 含义 | 默认值 | |
|---|---|---|---|
-XX:+PrintGC | 打印GC日志 | 输出形式: [GC 118250K->113543K(130112K), 0.0094143 secs] [Full GC 121376K->10414K(130112K), 0.0650971 secs] | |
-XX:+PrintGCDetails | 打印详细的GC日志 | 输出形式:[GC [DefNew: 8614K->781K(9088K), 0.0123035 secs] 118250K->113543K(130112K), 0.0124633 secs] [GC DefNew: 8614K->8614K(9088K), 0.0000665 secs 121376K->10414K(130112K), 0.0436268 secs] | |
-XX:+PrintGCTimeStamps | 为GC日志添加时间戳 | ||
-XX:+PrintGC:PrintGCTimeStamps | 可与-XX:+PrintGC -XX:+PrintGCDetails混合使用 输出形式:11.851: [GC 98328K->93620K(130112K), 0.0082960 secs] | ||
-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime | 打印垃圾回收期间程序暂停的时间.可与上面混合使用 | 输出形式:Total time for which application threads were stopped: 0.0468229 seconds | |
-XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime | 打印每次垃圾回收前,程序未中断的执行时间.可与上面混合使用 | 输出形式:Application time: 0.5291524 seconds | |
-XX:+PrintHeapAtGC | 打印GC前后的详细堆栈信息 | ||
-Xloggc:filename | 把相关日志信息记录到文件以便分析. 与上面几个配合使用 | ||
-XX:+PrintClassHistogram | garbage collects before printing the histogram. | ||
-XX:+PrintTLAB | 查看TLAB空间的使用情况 | ||
XX:+PrintTenuringDistribution | 查看每次minor GC后新的存活周期的阈值 | Desired survivor size 1048576 bytes, new threshold 7 (max 15) new threshold 7即标识新的存活周期的阈值为7。 | |
-Xloggc:/var/log/yourapp-gc.log | 将GC日志写入指定文件。 | ||
-XX:+UseGCLogFileRotation | 开启GC日志文件的轮替 | ||
-XX:NumberOfGCLogFiles=5 | 指定GC日志文件的数量。 | ||
-XX:GCLogFileSize=20M | 指定GC日志文件的大小 |
参靠文章：
1、【JVM进阶之路】十：JVM调优总结 - 三分恶 - 博客园 (cnblogs.com)
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