JVM技术专题JVM分析与调优技巧分析「原理篇」

Posted 2022-12-01 浩宇の天尚

JVM空间说明

• 在JDK1.7及以前，HotSpot虚拟机将java类信息、常量池、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据，存储在Perm（永久带）里（对于其他虚拟机如BEA JRockit、IBM J9等是不存在永久带概念的），类的元数据和静态变量在类加载的时候被分配到Perm里，当常量池回收或者类被卸载的时候，垃圾收集器会回收这一部分内存，但效果不太理想。

• JDK1.8时，HotSpot虚拟机对JVM模型进行了改造，将类元数据放到了本地内存中，将常量池和静态变量放到了Java堆里，HotSpot VM将会为类的元数据明确的分配与释放本地内存，在这种架构下，类元数据就突破了-XX:MaxPermSize的限制，所以此配置已经失效，现在可以使用更多的本地内存。这样一定程度上解决了原来在运行时生成大量的类，从而经常Full GC的问题——如运行时使用反射、代理等。

干货要点

可以发现最明显的一个变化是元空间从虚拟机转移到了本地内存。默认情况下，元数据空间大小仅受限于本地内存，这意味着以后不会因为永久代大小不够而抛出OOM异常了。

jdk1.8以前，HotSpot VM将class和类的jar包数据存储在PermGen里，
PermGen大小是固定的，而且项目之间无法公用公有的class，所以很容易碰到OOM异常。改成MetaSpace后。

各个项目会共享同样的class空间。比如多个项目都引用了apache-common包，在MetaSpace中只会存储一份的apache-common的class，提高了内存的利用率，垃圾回收更有效。

Minor GC—复制算法具体过程：

• 将Eden和S0中还存活着的对象一次性的复制到S1中，并且清理掉Eden与S0的空间。如果S1放不下还存活着的对象，那这些对象将通过分配担保机制进入老年代。【原理上随时保持S0和S1有一个是空的，用来存下一次的对象】

• Eden区快满的时候，会进行上一步类似操作，将Eden和S1区的年纪大的对象放到S0区【此时S1区就是空的】

• 直到Eden区快满，S0或者S1也快满的时候，这时候就把这两个区的年纪大的对象放到Old区。

• 依次循环，直到Old区也快满的时候，Eden区也快满的时候，会对整个这一块内存区域进行一次大清洗（FullGC），腾出内存，为之后的对象创建，程序运行腾地方。

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• 新生代GC（Minor GC）:指发生在新生代的垃圾回收动作，因为java对象大多具备朝生夕灭的特征，所以Minor GC发生的特别频繁，一般回收速度也很快。
• 老年代GC（Major GC/Full GC）:指发生在老年代的GC，出现了Major GC，至少会伴随一次的MinorGC（但非绝对，在Parallel Scavenge收集器的收集策略里就有直接进行Minor GC的策略选择过程）。
• Major GC的速度一般比Minor GC慢10倍以上。

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升级JDK1.8之后，上面的perm配置已经变成

-XX:MetaspaceSize=512M XX:MaxMetaspaceSize=1024M

MetaspaceSize如果不做配置，通过jinfo查看默认MetaspaceSize大小（约21M）,MaxMetaspaceSize很大很大，前面说过MetaSpace只受本地内存大小限制。

结果为：-XX:MetaspaceSize=21807104
jinfo -flag MetaspaceSize 1234

结果为：-XX:MaxMetaspaceSize=18446744073709547520
jinfo -flag MaxMetaspaceSize 1234

干货： MetaspaceSize为触发FullGC的阈值，默认约为21M，如做了配置，最小阈值为自定义配置大小。空间使用达到阈值，触发FullGC，同时对该值扩大。当然如果元空间实际使用小于阈值，在GC的时候也会对该值缩小。
MaxMetaspaceSize为元空间的最大值，如果设置太小，可能会导致频繁FullGC，甚至OOM。

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-XX 参数被称为不稳定参数，之所以这么叫是因为此类参数的设置很容易引起JVM 性能上的差异，使JVM 存在极大的不稳定性。如果此类参数设置合理将大大提高JVM 的性能及稳定性。

不稳定参数语法规则：

布尔类型参数值

• -XX:+ '+'表示启用该选项
• -XX:- '-'表示关闭该选项

数字类型参数值：

-XX:= 给选项设置一个数字类型值，可跟随单位，例如：'m’或’M’表示兆字节;'k’或’K’千字节;'g’或’G’千兆字节。32K与32768是相同大小的。

字符串类型参数值：

-XX:= 给选项设置一个字符串类型值，通常用于指定一个文件、路径或一系列命令列表。

-XX:HeapDumpPath=./dump.core

JVM参数示例

-Xmx4g –Xms4g –Xmn1200m –Xss512k -XX:NewRatio=4 -XX:SurvivorRatio=8 -XX:PermSize=100m -XX:MaxPermSize=256m -XX:MaxTenuringThreshold=15

解析：

• -Xmx4g：堆内存最大值为4GB。
• -Xms4g：初始化堆内存大小为4GB 。
• -Xmn1200m：设置年轻代大小为1200MB。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。
• -Xss512k：设置每个线程的堆栈大小。JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1MB，以前每个线程堆栈大小为256K。应根据应用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。
• -XX:NewRatio=4：设置年轻代（包括Eden和两个Survivor区）与年老代的比值（除去持久代）。设置为4，则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
• -XX:SurvivorRatio=8：设置年轻代中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:PermSize=100m：初始化永久代大小为100MB。
• -XX:MaxPermSize=256m：设置持久代大小为256MB。
• -XX:MaxTenuringThreshold=15：设置垃圾最大年龄。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论。

JVM调优目标

何时需要做jvm调优？

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。
JVM调优原则

1. 多数的Java应用不需要在服务器上进行JVM优化；

2. 多数导致GC问题的Java应用，都不是因为我们参数设置错误，而是代码问题；

3. 在应用上线之前，先考虑将机器的JVM参数设置到最优（最适合）；

4. 减少创建对象的数量；

5. 减少使用全局变量和大对象；

6. JVM优化是到最后不得已才采用的手段；

7. 在实际使用中，分析GC情况优化代码比优化JVM参数更好；

JVM调优目标

• GC低停顿；

• GC低频率；

• 低内存占用；

• 高吞吐量;

JVM调优量化目标（示例）：

1. Heap 内存使用率 <= 70%;

2. Old generation内存使用率<= 70%;

3. avgpause <= 1秒;

4. Full gc 次数0 或 avg pause interval >= 24小时 ;

注意：不同应用，其JVM调优量化目标是不一样的。

JVM调优经验

JVM调优经验总结

JVM调优的一般步骤为：

• 第1步：分析GC日志及dump文件，判断是否需要优化，确定瓶颈问题点；

• 第2步：确定JVM调优量化目标；

• 第3步：确定JVM调优参数（根据历史JVM参数来调整）；

• 第4步：调优一台服务器，对比观察调优前后的差异；

• 第5步：不断的分析和调整，直到找到合适的JVM参数配置；

• 第6步：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。

JVM调优重要参数解析

注意：不同应用，其JVM最佳稳定参数配置是不一样的。

配置：

-server

-Xms12g -Xmx12g -XX:PermSize=500m -XX:MaxPermSize=1000m -Xmn2400m -XX:SurvivorRatio=1 -Xss512k -XX:MaxDirectMemorySize=1G

-XX:+DisableExplicitGC -XX:CompileThreshold=8000 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC

-XX:+UseCompressedOops -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=60 -XX:ConcGCThreads=4

-XX:MaxTenuringThreshold=10 -XX:ParallelGCThreads=8

-XX:+ParallelRefProcEnabled -XX:+CMSClassUnloadingEnabled -XX:+CMSParallelRemarkEnabled

-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=500 -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=4

XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:/weblogic/gc/gc_$$.log

重要参数（可调优）解析：

-Xms12g：初始化堆内存大小为12GB。

-Xmx12g：堆内存最大值为12GB 。

-Xmn2400m：新生代大小为2400MB，包括 Eden区与2个Survivor区。

-XX:SurvivorRatio=1：Eden区与一个Survivor区比值为1:1。

-XX:MaxDirectMemorySize=1G：直接内存。报java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory 异常可以上调这个值。

-XX:+DisableExplicitGC：禁止运行期显式地调用 System.gc() 来触发fulll GC。

注意: Java RMI的定时GC触发机制可通过配置-Dsun.rmi.dgc.server.gcInterval=86400来控制触发的时间。

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=60：老年代内存回收阈值，默认值为68。

-XX:ConcGCThreads=4：CMS垃圾回收器并行线程线，推荐值为CPU核心数。

-XX:ParallelGCThreads=8：新生代并行收集器的线程数。

-XX:MaxTenuringThreshold=10：设置垃圾最大年龄。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论。

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=4：指定进行多少次fullGC之后，进行tenured区 内存空间压缩。

-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=500：当abortable-preclean预清理阶段执行达到这个时间时就会结束。

触发Full GC的场景及应对策略

年轻代空间（包括 Eden 和 Survivor 区域）回收内存被称为 Minor GC，对老年代GC称为MajorGC，而Full GC是对整个堆来说的，在最近几个版本的JDK里默认包括了对永生带即方法区的回收（JDK8中无永生带了），出现Full GC的时候经常伴随至少一次的Minor GC,但非绝对的。MajorGC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上。

触发Full GC的场景及应对策略：

1. System.gc()方法的调用，应对策略：通过-XX:+DisableExplicitGC来禁止调用System.gc ;

2. 老年代代空间不足，应对策略：让对象在Minor GC阶段被回收，让对象在新生代多存活一段时间，不要创建过大的对象及数组;

3. 永生区空间不足，应对策略：增大PermGen空间

4. GC时出现promotionfailed和concurrent mode failure，应对策略：增大survivor space

5. Minor GC后晋升到旧生代的对象大小大于老年代的剩余空间，应对策略：增大Tenured space 或下调CMSInitiatingOccupancyFraction=60

6. 内存持续增涨达到上限导致Full GC ，应对策略：通过dumpheap 分析是否存在内存泄漏

Gc日志分析工具

借助GCViewer日志分析工具，可以非常直观地分析出待调优点。

可从以下几方面来分析：

1. Memory,分析Totalheap、Tenuredheap、Youngheap内存占用率及其他指标，理论上内存占用率越小越好；

2. Pause ,分析Gc pause、Fullgc pause、Total pause三个大项中各指标，理论上GC次数越少越好，GC时长越小越好；