JVM优化

最新推荐文章于 2023-08-31 16:24:29 发布

削了个杨桃。

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分类专栏：项目调优文章标签： java jvm 优化

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JVM内存模型

1.JVM运行时数据区域划分

2.使用字节码来了解底层运行流程

本章就不再过多讲述字节码了,我们简单分析

首先，看一个简单的Test1类的代码：

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 2;int b = 5;int c = b - a;
        System.out.println(c);
    }
}

字节码主要内容如下

翻译字节码可以根据下面提供的描述符来转义,大概意思如下

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)v //方法描述，V表示该方法的放回值为void,参数是str数组
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC // 方法修饰符，public、static的
    Code:stack=2, locals=4, args_size=1 // stack=2,操作栈的大小为2、locals=4，本地变量表大小，args_size=1, 参数的个数
    //----start----------
    0: iconst_2 //将数字2值压入操作栈，位于栈的最上面
    1: istore_1 //从操作栈中弹出一个元素(数字2)，放入到本地变量表中，位于下标为1的位置（下标
为0的是this）
    2: iconst_5  //将数字5值压入操作栈，位于栈的最上面
    3: istore_2  //从操作栈中弹出一个元素(5)，放入到本地变量表中，位于下标为2个位置
    4: iload_2  //将本地变量表中下标为2的位置元素压入操作栈（5）
    5: iload_1  //将本地变量表中下标为1的位置元素压入操作栈（2）
    6: isub    //操作栈中的2个数字相减
    7: istore_3 // 将相减的结果压入到本地本地变量表中，位于下标为3的位置
    8: getstatic 
    #2 // Fieldjava/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
    11: iload_3
    12: invokevirtual #3 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
    15: return  //返回

字段描述符

方法描述符

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.3.3

操作图表如下

根据上图我们可以知道,操作栈跟本地变量表的作用

图中可以看出简单类型的数据是直接存储在栈中,如果是基本类型，会把值直接存储在栈；如果是引用类型，比如String s = new String("william");会把其对象存储在堆，而把这个对象的引用（指针）存储在栈。

回归正题,我们来讲讲JDK的堆内存模型,因为存储的都是变量,那么如何设置堆的初始大小,及选择什么样的清理策略跟程序的运行速度息息相关

1.7的内存模型

Young 年轻区（代）

Young区被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区，其中，Survivor区间中，某一时刻只有其中一个是被使用的，另外一个留做垃圾收集时复制对象用，在Eden区间变满的时候， GC就会将存活的对象移到空闲的Survivor区间中，根据JVM的策略，在经过几次垃圾收集后，任然存活于Survivor的对象将被移动到Tenured区间。

JDK使用了复制算法来管理对象周期,该算法下文中会讲,先跳过

Tenured 年老区

Tenured区主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象，当一些对象在Young复制转移一定的次数以后，对象就会被转移到Tenured区，一般如果系统中用了application级别的缓存，缓存中的对象往往会被转移到这一区间。

Perm 永久区

Perm代主要保存class,method,fifiled对象，这部份的空间一般不会溢出，除非一次性加载了很多的类，不过在涉及到热部署的应用服务器的时候，有时候会遇到java.lang.OutOfMemoryError : PermGen space 的错误，造成这个错误的很大原因就有可能是每次都重新部署，但是重新部署后，类的class没有被卸载掉，这样就造成了大量的class对象保存在了perm中，这种情况下，一般重新启动应用服务器可以解决问题。

jdk1.8的堆内存模型

在jdk1.8中变化最大的Perm区，用Metaspace（元数据空间）进行了替换。需要特别说明的是：Metaspace所占用的内存空间不是在虚拟机内部，而是在本地内存空间中，这也是与1.7的永久代最大的区别所在。

垃圾回收

为了让程序员更专注于代码的实现，而不用过多的考虑内存释放的问题，所以，在Java语言中，有了自动的垃圾回收机制，也就是我们熟悉的GC有了垃圾回收机制后，程序员只需要关心内存的申请即可，内存的释放由系统自动识别完成。换句话说，自动的垃圾回收的算法就会变得非常重要了，如果因为算法的不合理，导致内存资源一直没有释放，同样也可能会导致内存溢出的。

垃圾回收的常见算法

自动化的管理内存资源，垃圾回收机制必须要有一套算法来进行计算，哪些是有效的对象，哪些是无效的对象，对于无效的对象就要进行回收处理。

常见的垃圾回收算法有：引用计数法、标记清除法、标记压缩法、复制算法、分代算法等。

1.引用计数法

假设有一个对象A，任何一个对象对A的引用，那么对象A的引用计数器+1，当引用失败时，对象A的引用计数器就-1，如果对象A的计数器的值为0，就说明对象A没有引用了，可以被回收。

优点：

实时性较高，无需等到内存不够的时候，才开始回收，运行时根据对象的计数器是否为0，就可以直接回收。

在垃圾回收过程中，应用无需挂起。如果申请内存时，内存不足，则立刻报outofmember 错误。

区域性，更新对象的计数器时，只是影响到该对象，不会扫描全部对象。

缺点：

每次对象被引用时，都需要去更新计数器，有一点时间开销。

浪费CPU资源，即使内存够用，仍然在运行时进行计数器的统计。

无法解决循环引用问题。（最大的缺点）

什么是循环引用？

class TestA{
    public TestB b;
}
class TestB{
    public TestA a;
}
public class Main{
    public static void main(String[] args){
        A a = new A();
        B b = new B();
        a.b=b;
        b.a=a;
        a = null;
        b = null;
    }
}

2.标记清除算法，是将垃圾回收分为2个阶段，分别是标记和清除。

标记：从根节点开始标记引用的对象

清除：未被标记引用的对象就是垃圾对象，可以被清理。

这张图代表的是程序运行期间所有对象的状态，它们的标志位全部是0（也就是未标记，以下默认0就是未标记，1为已标记），假设这会儿有效内存空间耗尽了，JVM将会停止应用程序的运行并开启GC线程，然后开始进行标记工作，按照根搜索算法，标记完以后，对象的状态如下图。

可以看到，按照根搜索算法，所有从root对象可达的对象就被标记为了存活的对象，此时已经完成了第一阶段标记。接下来，就要执行第二阶段清除了，那么清除完以后，剩下的对象以及对象的状态如下图所示。

可以看到，没有被标记的对象将会回收清除掉，而被标记的对象将会留下，并且会将标记位重新归0。接下来就不用说了，唤醒停止的程序线程，让程序继续运行即可。

可以看到，标记清除算法解决了引用计数算法中的循环引用的问题，没有从root节点引用的对象都会被回收。同样，标记清除算法也是有缺点的：效率较低，标记和清除两个动作都需要遍历所有的对象，并且在GC时，需要停止应用程序，对于交互性要求比较高的应用而言这个体验是非常差的。通过标记清除算法清理出来的内存，碎片化较为严重，因为被回收的对象可能存在于内存的各个角落，所以清理出来的内存是不连贯的。

3.标记压缩算法

标记压缩算法是在标记清除算法的基础之上，做了优化改进的算法。和标记清除算法一样，也是从根节点开始，对对象的引用进行标记，在清理阶段，并不是简单的清理未标记的对象，而是将存活的对象压缩到内存的一端，然后清理边界以外的垃圾，从而解决了碎片化的问题。

复制算法

复制算法的核心就是，将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块，在垃圾回收时，将正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清空，交换两个内存的角色，完成垃圾的回收。如果内存中的垃圾对象较多，需要复制的对象就较少，这种情况下适合使用该方式并且效率比较高，反之，则不适合。JVM也是使用该类算法如下

JVM中年轻代内存空间

1. 在GC开始的时候，对象只会存在于Eden区和名为“From”的Survivor区，Survivor区“To”是空的。

2. 紧接着进行GC，Eden区中所有存活的对象都会被复制到“To”，而在“From”区中，仍存活的对象会根据他们的年龄值来决定去向。年龄达到一定值(年龄阈值，可以通过-XX:MaxTenuringThreshold来设置)的对象会被移动到年老代中，没有达到阈值的对象会被复制到“To”区域。

3. 经过这次GC后，Eden区和From区已经被清空。这个时候，“From”和“To”会交换他们的角色，也就是新的“To”就是上次GC前的“From”，新的“From”就是上次GC前的“To”。不管怎样，都会保证名为To的Survivor区域是空的。

4. GC会一直重复这样的过程，直到“To”区被填满，“To”区被填满之后，会将所有对象移动到年老代中。

优缺点

优点：在垃圾对象多的情况下，效率较高清理后，内存无碎片

缺点：在垃圾对象少的情况下，不适用，如：老年代内存分配的2块内存空间，在同一个时刻，只能使用一半，内存使用率较低

分代算法

前面介绍了多种回收算法，每一种算法都有自己的优点也有缺点，谁都不能替代谁，所以根据垃圾回收对象的特点进行选择，才是明智的选择。分代算法其实就是这样的，根据回收对象的特点进行选择，在jvm中，年轻代适合使用复制算法，老年代适合使用标记清除或标记压缩算法。

垃圾收集器以及内存分配

串行垃圾收集器，是指使用单线程进行垃圾回收，垃圾回收时，只有一个线程在工作，并且java应用中的所有线程都要暂停，等待垃圾回收的完成。这种现象称之为STW（Stop-The-World）。对于交互性较强的应用而言，这种垃圾收集器是不能够接受的。一般在Javaweb应用中是不会采用该收集器的。

代码测试:

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Properties;
import java.util.Random;

public class JvmTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        List<Object> list = new ArrayList<Object>();
        while (true){
            int sleep = new Random().nextInt(100);

            if(System.currentTimeMillis() % 2 ==0 ){
                list.clear();
            }else{
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    Properties properties = new Properties();
                    properties.put("key_"+i, "value_" + System.currentTimeMillis() +i);
                    list.add(properties);
                }
            }//
            // System.out.println("list大小为：" + list.size());
            Thread.sleep(sleep);
        }


    }
}

配置运行参数,

-XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m

启动程序，可以看到下面信息：

GC日志信息解读：

年轻代的内存GC前后的大小：

DefNew表示使用的是串行垃圾收集器。4416K->512K(4928K)表示，年轻代GC前，占有4416K内存，GC后，占有512K内存，总大小4928K

0.0046102 secs表示，GC所用的时间，单位为毫秒。

4416K->1973K(15872K)表示，GC前，堆内存占有4416K，GC后，占有1973K，总大小为15872K

Full GC表示，内存空间全部进行GC

使用软件分析GC

前面通过-XX:+PrintGCDetails可以对GC日志进行打印，我们就可以在控制台查看，这样虽然可以查看GC的信息，但是并不直观，可以借助于第三方的GC日志分析工具进行查看。

运行时添加如下参数,

-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintHeapAtGC -Xloggc:D://test//gc.log

运行后,生成文件打开如下

GC Easy是一款在线的可视化工具，易用、功能强大，网站：

http://gceasy.io/

我们只需要上传log就可以查看运行情况

上传后，点击“Analyze”按钮，即可查看报告。

左侧分别展示了年轻代的内存分配分配空间大小（Allocated）和年轻代内存分配空间大小的最大峰值（Peek），然后依次是老年代（Old Generation）、元数据区（Meta Space）、堆区和非堆区（Young + Old + Meta Space）总大小。值得注意的是，每一代的最大内存利用率都会超过分配的大小，但是图中的内存分配利用率已经超过了峰值内存了。

这里就不再过多介绍GcEasy工具了,下面是我在网上找的教程,有兴趣的小伙伴可以移步

https://blog.youkuaiyun.com/CoderBruis/article/details/101234738

回归正题

我们继续讲垃圾收集器,

并行垃圾收集器

并行垃圾收集器在串行垃圾收集器的基础之上做了改进，将单线程改为了多线程进行垃圾回收，这样可以缩短垃圾回收的时间。（这里是指，并行能力较强的机器）当然了，并行垃圾收集器在收集的过程中也会暂停应用程序，这个和串行垃圾回收器是一样的，只是并行执行，速度更快些，暂停的时间更短一些。

ParNew垃圾收集器

ParNew垃圾收集器是工作在年轻代上的，只是将串行的垃圾收集器改为了并行。通过-XX:+UseParNewGC参数设置年轻代使用ParNew回收器，老年代使用的依然是串行收集器。

使用参数

-XX:+UseParNewGC -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m

ParallelGC垃圾收集器

ParallelGC收集器工作机制和ParNewGC收集器一样，只是在此基础之上，新增了两个和系统吞吐量相关的参数，使得其使用起来更加的灵活和高效

-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:+PrintGCDetails -Xms16m -Xmx16m

G1垃圾收集器

G1垃圾收集器是在jdk1.7中正式使用的全新的垃圾收集器，oracle官方计划在jdk9中将G1变成默认的垃圾收集器，

以替代CMS。

G1的设计原则就是简化JVM性能调优，开发人员只需要简单的三步即可完成调优：

1. 第一步，开启G1垃圾收集器

2. 第二步，设置堆的最大内存

3. 第三步，设置最大的停顿时间

G1中提供了三种模式垃圾回收模式，Young GC、Mixed GC 和 Full GC，在不同的条件下被触发。

G1垃圾收集器相对比其他收集器而言，最大的区别在于它取消了年轻代、老年代的物理划分，取而代之的是将堆划分为若干个区域（Region），这些区域中包含了有逻辑上的年轻代、老年代区域。

在G1划分的区域中，年轻代的垃圾收集依然采用暂停所有应用线程的方式，将存活对象拷贝到老年代或者Survivor空间，G1收集器通过将对象从一个区域复制到另外一个区域，完成了清理工作。这就意味着，在正常的处理过程中，G1完成了堆的压缩（至少是部分堆的压缩），这样也就不会有cms内存碎片问题的存在了。

在G1中，有一种特殊的区域，叫Humongous区域。

如果一个对象占用的空间超过了分区容量50%以上，G1收集器就认为这是一个巨型对象。这些巨型对象，默认直接会被分配在老年代，但是如果它是一个短期存在的巨型对象，就会对垃圾收集器造成负面影响。为了解决这个问题，G1划分了一个Humongous区，它用来专门存放巨型对象。如果一个H区装不下一个巨型对象，那么G1会寻找连续的H分区来存储。为了能找到连续的H区，有时候不得不启动Full GC。

Young GC

Young GC主要是对Eden区进行GC，它在Eden空间耗尽时会被触发。

Eden空间的数据移动到Survivor空间中，如果Survivor空间不够，Eden空间的部分数据会直接晋升到年老代

空间。

Survivor区的数据移动到新的Survivor区中，也有部分数据晋升到老年代空间中。

最终Eden空间的数据为空，GC停止工作，应用线程继续执行。

Remembered Set（已记忆集合）

在GC年轻代的对象时，我们如何找到年轻代中对象的根对象呢？根对象可能是在年轻代中，也可以在老年代中，那么老年代中的所有对象都是根么？如果全量扫描老年代，那么这样扫描下来会耗费大量的时间。于是，G1引进了RSet的概念。它的全称是Remembered Set，其作用是跟踪指向某个堆内的对象引用。

每个Region初始化时，会初始化一个RSet，该集合用来记录并跟踪其它Region指向该Region中对象的引用，每个Region默认按照512Kb划分成多个Card，所以RSet需要记录的东西应该是 xx Region的 xx Card。

Mixed GC

当越来越多的对象晋升到老年代old region时，为了避免堆内存被耗尽，虚拟机会触发一个混合的垃圾收集器，即Mixed GC，该算法并不是一个Old GC，除了回收整个Young Region，还会回收一部分的Old Region，这里需要注意：是一部分老年代，而不是全部老年代，可以选择哪些old region进行收集，从而可以对垃圾回收的耗时时间进行控制。也要注意的是Mixed GC 并不是 Full GC。MixedGC什么时候触发？由参数 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=n 决定。默认：45%，该参数的意思是：当老年代大小占整个堆大小百分比达到该阀值时触发。它的GC步骤分2步：

1. 全局并发标记（global concurrent marking）

2. 拷贝存活对象（evacuation）

拷贝存活对象

Evacuation阶段是全暂停的。该阶段把一部分Region里的活对象拷贝到另一部分Region中，从而实现垃圾的回收清理。

默认参数如下

-XX:+UseG1GC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:+PrintGCDetails -Xmx256m

[GC pause (G1 Evacuation Pause) (young), 0.0034062 secs]
   [Parallel Time: 2.8 ms, GC Workers: 4]
      [GC Worker Start (ms): Min: 335.0, Avg: 335.1, Max: 335.1, Diff: 0.0]
      #扫描根节点
      [Ext Root Scanning (ms): Min: 0.1, Avg: 0.2, Max: 0.4, Diff: 0.3, Sum: 0.9]
      #更新RS区域所消耗的时间
      [Update RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [Processed Buffers: Min: 0, Avg: 0.0, Max: 0, Diff: 0, Sum: 0]
      [Scan RS (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
      [Code Root Scanning (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
      #对象拷贝
      [Object Copy (ms): Min: 2.4, Avg: 2.5, Max: 2.6, Diff: 0.2, Sum: 10.1]
      [Termination (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.0]
         [Termination Attempts: Min: 1, Avg: 1.0, Max: 1, Diff: 0, Sum: 4]
      [GC Worker Other (ms): Min: 0.0, Avg: 0.0, Max: 0.0, Diff: 0.0, Sum: 0.1]
      [GC Worker Total (ms): Min: 2.8, Avg: 2.8, Max: 2.8, Diff: 0.0, Sum: 11.2]
      [GC Worker End (ms): Min: 337.9, Avg: 337.9, Max: 337.9, Diff: 0.0]
   [Code Root Fixup: 0.0 ms]
   [Code Root Purge: 0.0 ms]
   [Clear CT: 0.1 ms]
   [Other: 0.5 ms]
      [Choose CSet: 0.0 ms]
      [Ref Proc: 0.3 ms]
      [Ref Enq: 0.0 ms]
      [Redirty Cards: 0.1 ms]
      [Humongous Register: 0.0 ms]
      [Humongous Reclaim: 0.0 ms]
      [Free CSet: 0.0 ms]
    #年轻代的大小统计
   [Eden: 6144.0K(6144.0K)->0.0B(5120.0K) Survivors: 0.0B->1024.0K Heap: 6144.0K(16.0M)->2589.0K(16.0M)]
 [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.00 secs]

对于G1垃圾收集器优化建议

1.年轻代大小

避免使用 -Xmn 选项或 -XX:NewRatio 等其他相关选项显式设置年轻代大小。

固定年轻代的大小会覆盖暂停时间目标。

2.暂停时间目标不要太过严苛

G1 GC 的吞吐量目标是 90% 的应用程序时间和 10%的垃圾回收时间。

评估 G1 GC 的吞吐量时，暂停时间目标不要太严苛。目标太过严苛表示您愿意承受更多的垃圾回收开销，而这会直接影响到吞吐量。

设置并行垃圾回收器

#年轻代、老年代均使用并行收集器，初始堆内存64M，最大堆内存512M
JAVA_OPTS="-XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC -Xms64m -Xmx512m -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintHeapAtGC -Xloggc:../logs/gc.log"

将gc.log文件上传到gceasy.io查看gc中是否存在问题。