JVM自動內存管理機制——Java內存區域（下）

一、虛擬機參數配置

　　在上一篇《Java自動內存管理機制——Java內存區域（上）》中介紹了有關的基礎知識，這一篇主要是通過一些示例來了解有關虛擬機參數的配置。

　　1、Java堆參數設置

　　a）下面是一些簡單的使用參數

　　其中最后一個是一個運行時參數設置的簡單實例。一般-XX是系統級別的配置（日志信息，或者是配置使用什么樣的垃圾回收器等等），后面跟上+表示啟用。不是-XX基本上是對於應用層面的配置信息

　　

　　下面是一個簡單的實例：表示設置初始堆大小為5M，最大堆大小為20M，並將虛擬機的參數設置打印出來，后面會用示例程序來說明

　　

　　b）如下所示程序：

package cn.jvm.test;

public class Test01 {
    //-XX:+PrintGC -Xms5m -Xmx20m -XX:+UseSerialGC  -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintCommandLineFlags

    public static void main(String[] args) {

        //查看GC信息
        System.out.println("沒有分配時候");
        System.out.println("最大堆內存===" + Runtime.getRuntime().maxMemory());
        System.out.println("空閑內存===" + Runtime.getRuntime().freeMemory());
        System.out.println("總內存===" + Runtime.getRuntime().totalMemory());

        byte[] testByte1 = new byte[1024 * 1024];
        System.out.println("分配了1M");
        System.out.println("最大堆內存===" + Runtime.getRuntime().maxMemory());
        System.out.println("空閑內存===" + Runtime.getRuntime().freeMemory());
        System.out.println("總內存===" + Runtime.getRuntime().totalMemory());

        byte[] testByte2 = new byte[4 * 1024 * 1024];
        System.out.println("分配了4M");
        System.out.println("最大堆內存===" + Runtime.getRuntime().maxMemory());
        System.out.println("空閑內存===" + Runtime.getRuntime().freeMemory());
        System.out.println("總內存===" + Runtime.getRuntime().totalMemory());

    }
}

　　然后配置上  -Xms5m -Xmx20m -XX:+UseSerialGC  -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintCommandLineFlags參數來運行查看結果信息，在IDEA中進入，然后在VM Options中設置上面配置的參數

　　c）分析結果

"E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\bin\java.exe" -Xms5m -Xmx20m -XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintCommandLineFlags "-javaagent:E:\Program Files\IntelliJ IDEA 2018.3.3\lib\idea_rt.jar=49362:E:\Program Files\IntelliJ IDEA 2018.3.3\bin" -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath "E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\charsets.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\deploy.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\ext\cldrdata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\ext\dnsns.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\ext\jaccess.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\ext\jfxrt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\ext\localedata.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\ext\nashorn.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\ext\sunec.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\ext\zipfs.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\javaws.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\jce.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\jfr.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\jfxswt.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\jsse.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\management-agent.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\plugin.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\resources.jar;E:\Program Files\Java\jdk1.8.0_141\jre\lib\rt.jar;E:\IDEAProject\JVM\out\production\JVM" cn.jvm.test.Test01
-XX:InitialHeapSize=5242880 -XX:MaxHeapSize=20971520 -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation -XX:+UseSerialGC 
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 1664K->192K(1856K), 0.0018176 secs] 1664K->605K(5952K), 0.0028416 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
沒有分配時候
最大堆內存===20316160
空閑內存===5202432
總內存===6094848
分配了1M
最大堆內存===20316160
空閑內存===4149872
總內存===6094848
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 1485K->31K(1856K), 0.0025246 secs][Tenured: 1626K->1658K(4096K), 0.0031723 secs] 1899K->1658K(5952K), [Metaspace: 3432K->3432K(1056768K)], 0.0061214 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
分配了4M
最大堆內存===20316160
空閑內存===4406496
總內存===10358784
2112
Heap
 def new generation   total 1920K, used 76K [0x00000000fec00000, 0x00000000fee10000, 0x00000000ff2a0000)
  eden space 1728K,   4% used [0x00000000fec00000, 0x00000000fec13018, 0x00000000fedb0000)
  from space 192K,   0% used [0x00000000fedb0000, 0x00000000fedb0000, 0x00000000fede0000)
  to   space 192K,   0% used [0x00000000fede0000, 0x00000000fede0000, 0x00000000fee10000)
 tenured generation   total 8196K, used 5754K [0x00000000ff2a0000, 0x00000000ffaa1000, 0x0000000100000000)
   the space 8196K,  70% used [0x00000000ff2a0000, 0x00000000ff83e998, 0x00000000ff83ea00, 0x00000000ffaa1000)
 Metaspace       used 3469K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 380K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

Process finished with exit code 0

　　我們通過查看輸出結果和打印的日志信息，結合剛剛設置的參數來簡單分析一下Java堆參數和程序運行的關系

　　1）我們在參數設置中配置了–XX:+PrintCommandLineFlags就會在結果中打印下面的信息

-XX:InitialHeapSize=5242880 -XX:MaxHeapSize=20971520 -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:-UseLargePagesIndividualAllocation -XX:+UseSerialGC 

　　然后將這些信息做一簡單的解釋：

-XX:InitialHeapSize=5242880  //設置初始堆大小（我們在參數設置中設置為5M）
-XX:MaxHeapSize=20971520  //設置最大堆大小（參數設置中設置為10M）
-XX:+PrintCommandLineFlags  //打印自己設置的JVM參數
-XX:+PrintGCDetails //打印包括新生代（Eden、from、to）和老年代以及元空間的信息
-XX:+UseCompressedClassPointers //使用-XX:+UseCompressedClassPointers選項來壓縮類指針,對象中指向類元數據的指針會被壓縮成32位,類指針壓縮空間會有一個基地址
-XX:+UseCompressedOops//使用-XX:+UseCompressedOops壓縮對象指針,"oops"指的是普通對象指針("ordinary" object pointers)。
　　　　　　　　　　　　　　　 Java堆中對象指針會被壓縮成32位。使用堆基地址（如果堆在低26G內存中的話，基地址為0）
-XX:-UseLargePagesIndividualAllocation 
-XX:+UseSerialGC  //使用串行收集器

　　2）下面是輸出結果信息，我們來具體的看一下每行代表的含義

[GC (Allocation Failure) [DefNew: 1647K->192K(1856K), 0.0026381 secs] 1647K->604K(5952K), 0.0035661 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
沒有分配時候
最大堆內存===20316160
空閑內存===5177136
總內存===6094848
分配了1M
最大堆內存===20316160
空閑內存===4128544
總內存===6094848
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 1508K->30K(1856K), 0.0031475 secs][Tenured: 1626K->1656K(4096K), 0.0031027 secs] 1920K->1656K(5952K), [Metaspace: 3411K->3411K(1056768K)], 0.0067187 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
分配了4M
最大堆內存===20316160
空閑內存===4401904
總內存===10358784

 　　①[GC (Allocation Failure) [DefNew: 1647K->192K(1856K), 0.0026381 secs] 1647K->604K(5952K), 0.0035661 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 結果分析

[
GC   //用來區分是 Minor GC 還是 Full GC 的標志(Flag). 這里的 GC 表明本次發生的是 Minor GC.
 (Allocation Failure) //引起垃圾回收的原因. 本次GC是因為年輕代中沒有任何合適的區域能夠存放需要分配的數據結構而觸發的.    
[DefNew: //使用的垃圾收集器的名字. DefNew 這個名字代表的是: 單線程采用標記復制(mark-copy)算法的, 使整個JVM暫停運行的年輕代(Young generation) 垃圾收集器.
1647K->192K(1856K), 0.0026381 secs] //在本次垃圾收集之前和之后的年輕代內存使用情況，從1647K回收到了192K（使用情況），括號中的1856K表示年輕代的總的大小.
1647K->604K(5952K), 0.0035661 secs] //在本次垃圾收集之前和之后整個堆內存的使用情況(Total used heap).括號中的5952K代表總的堆大小（基本上和初始時候設置的堆大小相同）
[Times: 
user=0.00 //此次垃圾回收, 垃圾收集線程消耗的所有CPU時間.
sys=0.00, //系統調用以及等待系統事件的時間(waiting for system event)
real=0.00 // 應用程序暫停的時間(Clock time). 由於串行垃圾收集器(Serial Garbage Collector)只會使用單個線程, 所以 real time 等於 user 以及 system time 的總和.
secs] 

　　②這是開始沒有分配內存的時候打印的結果信息

沒有分配時候
最大堆內存===20316160 //設置的-XX:MaxHeapSize=20971520
空閑內存===5177136 //初始的時候設置的-XX:InitialHeapSize=5242880
總內存===6094848 //堆內存加上其他的數據區域所占

　　③第一次分配1M內存時

分配了1M
最大堆內存===20316160 //這個值沒有變化，和第一次沒有分配的時候打印的結果一樣
空閑內存===4128544 //分配1M后從5177136變化為現在的數值（5177136-4128544 =1048576 = 1024 * 1024）
總內存===6094848//總內存沒有變化，和初始沒有分配的時候是一樣的

　　④第二次分配4M的時候，上面第一次分配之后還剩下4128544 = 3 * 1024 * 1024 = 3M，所以不夠分配4M，這時候就需要擴展內存，（剛剛設置的-XX:MaxHeapSize=20971520 = 20 * 1024 * 1024 =  20M）

分配了4M
最大堆內存===20316160 //最大內存不變，和上面的兩次輸出相同
空閑內存===4401904 //總內存現在是9M，然后分配了5M，還剩下4M（4 * 1024 * 1024 = 4401904 ）
總內存===10358784 //由於最開始的5M不夠分配，所以直接從最大內存處申請4M，這時候總內存就是9M = 9 * 1024 * 1024 = 10358784 

 　　⑤下面是第二次對整個堆進行GC

[GC 
(Allocation Failure) 
[DefNew: 
1508K->30K(1856K), 0.0031475 secs] //新生代空間GC信息
[Tenured: 1626K->1656K(4096K), 0.0031027 secs] 1920K->1656K(5952K),  //老年代空間回收信息

[Metaspace: 3411K->3411K(1056768K)], 0.0067187 secs] //元空間GC信息
[Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 

　　⑥開始的是時候我們設置了-XX:+PrintGCDetails ，所以最后會打印出整個GC的詳細信息

Heap //GC主要在堆上面進行
 def new generation   total 1920K, used 82K [0x00000000fec00000, 0x00000000fee10000, 0x00000000ff2a0000) //新生代
  eden space 1728K,   4% used [0x00000000fec00000, 0x00000000fec148c8, 0x00000000fedb0000) //eden區
  from space 192K,   0% used [0x00000000fedb0000, 0x00000000fedb0000, 0x00000000fede0000) //from區
  to   space 192K,   0% used [0x00000000fede0000, 0x00000000fede0000, 0x00000000fee10000) //to區
//eden區+from區+to區總共使用2112K，在newgeneration中：(0x00000000fee10000-0x00000000fec00000) / 1024 = 2112
 tenured generation   total 8196K, used 5752K [0x00000000ff2a0000, 0x00000000ffaa1000, 0x0000000100000000)  
    //5752/8196  = 70%
   the space 8196K,  70% used [0x00000000ff2a0000, 0x00000000ff83e2d8, 0x00000000ff83e400, 0x00000000ffaa1000) //老年代
 Metaspace       used 3461K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K //元空間區空間信息 
  class space    used 379K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

　2、新生代中參數設置

　　1）通過設置-Xmn來設置新生代的大小，設置一個比較大的新生代可以減小老年代的空間大小，這樣的設置對於整個GC的行為有比較大影響，新生代的大小一般會設置為整個堆空間的1/3或者1/4大小左右。-XX:SurvivorRatio用來設置新生代中eden和from/to的比例。-XX:SurvivorRatio=eden/from=eden/to

　　2）通過示例程序來查看關於新生代參數設置的方式和JVM結果分析。代碼中會對於同一程序段進行三次不同的配置，然后通過jvm日志來分析不同的結果信息

package cn.jvm.test;

public class Test02 {
    //第一次配置
    //-Xms20m -Xmx20m -Xmn1m -XX:SurvivorRatio=2 -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC

    //第二次配置
    //-Xms20m -Xmx20m -Xmn7m -XX:SurvivorRatio=2 -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC

    //第三次配置
    //-XX:NewRatio = 老年代/新生代
    //-Xms20m -Xmx20m -XX:NewRatio=2 -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC
    
    public static void main(String[] args) {
        byte[] b = null;

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            b = new byte[1 * 1024 * 1024];
        }
    }
}

　　①第一次配置-Xms20m -Xmx20m -Xmn1m -XX:SurvivorRatio=2 -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC

（初始堆大小=最大堆大小=20M，新生代大小為1M，新生代中eden:from:to = 2:1:1，然后使用使用串行收集器，並且打印GC詳細信息）

　　這個時候的新生代就是1M，其中eden:from:to = 2:1:1，下面是在IDEA中配置信息

　　運行的結果如下所示，可以計算出得到新生代的大小和分配的大小相同，新生代中的eden和from/to的比例為2:1:1

　　②第二次配置同樣是在Run/Debug Configuration中的VM options里面配置上-Xms20m -Xmx20m -Xmn7m -XX:SurvivorRatio=2 -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC，與第一次不同的只是改變了新生代的大小為7M，下面是運行結果

 

　　③設置第三次的分配參數-Xms20m -Xmx20m -XX:NewRatio=2 -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC。使用-XX:NewRatio可以設置老年代和新生代比例（-XX:NewRatio = 老年代/新生代）。所以第三次使用的是老年代和新生代按照比例進行划分，同樣是在Run/Debug Configuration中的VM options里面配置上-Xms20m -Xmx20m -XX:NewRatio=2 -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC然后我們來查看運行結果：

　　3）不同的堆分布情況會對於系統的執行產生大的影響，可以考慮盡量的將對象預留在新生代中，減少老年代的GC次數。

　3、棧參數設置

　　a）在HotSpot中，使用-Xss來設置棧容量的大小，如果請求的棧深度大於所提供允許的最大深度，將拋出Stack Overflow異常，如果擴展棧的時候不能申請到足夠的內存，將會拋出OutOfMemoryError異常。

　　b）下面使用一個簡單的測試程序演示OOM異常，程序中反復的調用自身，會一直申請棧空間，導致棧空間不夠繼續申請，最終拋出OOM異常

package cn.jvm.test;

public class Test04 {

    //-Xss1m
    private static int stackLength = 1;

    public static void stackLeak() {
        stackLength ++;
        stackLeak();
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            stackLeak();
        } catch (Throwable e) {
            System.out.println("最大棧深度" + stackLength);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

　　c）在下面的輸出結果之中：在單個線程下面，無論是由於棧幀太大還是由於虛擬機棧容量太小，當無法分配足夠的內存的時候，都會拋出Stack OverflowError異常

　　d）在多線程模式下面：在多線程環境開發中，如果對於每個線程的棧分配的空間越大，越容易引起內存溢出的異常。原因如下：

　　操作系統為每個線程分配的進程的內存是有限度的，虛擬機可以使用參數來控制堆內存和方法區內存的max值，剩余的內存減去這兩部分的所占空間，再除去永久區（1.7）、程序計數器的空間，余下的部分就會被每個線程各自分配的到自己的棧空間（包括虛擬機棧和本地方法棧），這樣看來，如果每個線程所設置的棧空間大小越大那么再次建立線程的時候就會越容易引起耗盡剩余的內存（從而引起OOM異常）。

　　所以在多線程 環境之中，如果是建立多線程導致的內存溢出異常，在沒有減少線程數或者提供更大的內存的情況下，就需要通過減小最大堆內存和減小每個線程的棧容量的方式來創建更多的線程。