一文帶你深入了解JVM性能調優以及對JVM調優的全面總結

目錄

JVM調優

1. 概念
2. 基本垃圾回收算法
3. 垃圾回收面臨的問題
4. 分代垃圾回收詳述1
5. 分代垃圾回收詳述2
6. 典型配置舉例1
7. 典型配置舉例2
8. 新一代的垃圾回收算法
9. 調優方法
10. 反思

一、JVM調優的一些概念

數據類型

Java虛擬機中，數據類型可以分為兩類：基本類型和引用類型。基本類型的變量保存原始值，即：他代表的值就是數值本身；而引用類型的變量保存引用值。“引用值”代表了某個對象的引用，而不是對象本身，對象本身存放在這個引用值所表示的地址的位置。

基本類型包括：byte,short,int,long,char,float,double,Boolean,returnAddress

引用類型包括：類類型，接口類型和數組。

堆與棧

堆和棧是程序運行的關鍵，很有必要把他們的關系說清楚。

 

Java對象的大小

基本數據的類型的大小是固定的，這里就不多說了。對於非基本類型的Java對象，其大小就值得商榷。

在Java中，一個空Object對象的大小是8byte，這個大小只是保存堆中一個沒有任何屬性的對象的大小。看下面語句：

Object ob = new Object();

這樣在程序中完成了一個Java對象的生命，但是它所占的空間為：4byte+8byte。4byte是上面部分所說的Java棧中保存引用的所需要的空間。而那8byte則是Java堆中對象的信息。因為所有的Java非基本類型的對象都需要默認繼承Object對象，因此不論什么樣的Java對象，其大小都必須是大於8byte。

有了Object對象的大小，我們就可以計算其他對象的大小了。

Class NewObject { 
int count; 
boolean flag; 
Object ob; 
} 

其大小為：空對象大小(8byte)+int大小(4byte)+Boolean大小(1byte)+空Object引用的大小 (4byte)=17byte。但是因為Java在對對象內存分配時都是以8的整數倍來分，因此大於17byte的最接近8的整數倍的是24，因此此對象的大小為24byte。

這里需要注意一下基本類型的包裝類型的大小。因為這種包裝類型已經成為對象了，因此需要把他們作為對象來看待。包裝類型的大小至少是12byte（聲明一個空Object至少需要的空間），而且12byte沒有包含任何有效信息，同時，因為Java對象大小是8的整數倍，因此一個基本類型包裝類的大小至少是16byte。這個內存占用是很恐怖的，它是使用基本類型的N倍（N>2），有些類型的內存占用更是誇張（隨便想下就知道了）。因此，可能的話應盡量少使用包裝類。在JDK5.0以后，因為加入了自動類型裝換，因此，Java虛擬機會在存儲方面進行相應的優化。

引用類型

對象引用類型分為強引用、軟引用、弱引用和虛引用。

二、 JVM調優—基本垃圾回收算法

可以從不同的的角度去划分垃圾回收算法：

按照基本回收策略分

引用計數（Reference Counting）:

比較古老的回收算法。原理是此對象有一個引用，即增加一個計數，刪除一個引用則減少一個計數。垃圾回收時，只用收集計數為0的對象。此算法最致命的是無法處理循環引用的問題。

標記-清除（Mark-Sweep）:

 

此算法執行分兩階段。第一階段從引用根節點開始標記所有被引用的對象，第二階段遍歷整個堆，把未標記的對象清除。此算法需要暫停整個應用，同時，會產生內存碎片。

復制（Copying）:

 

此算法把內存空間划為兩個相等的區域，每次只使用其中一個區域。垃圾回收時，遍歷當前使用區域，把正在使用中的對象復制到另外一個區域中。次算法每次只處理正在使用中的對象，因此復制成本比較小，同時復制過去以后還能進行相應的內存整理，不會出現“碎片”問題。當然，此算法的缺點也是很明顯的，就是需要兩倍內存空間。

標記-整理（Mark-Compact）:

 

此算法結合了“標記-清除”和“復制”兩個算法的優點。也是分兩階段，第一階段從根節點開始標記所有被引用對象，第二階段遍歷整個堆，把清除未標記對象並且把存活對象“壓縮”到堆的其中一塊，按順序排放。此算法避免了“標記-清除”的碎片問題，同時也避免了“復制”算法的空間問題。

按分區對待的方式分

增量收集（Incremental Collecting）:實時垃圾回收算法，即：在應用進行的同時進行垃圾回收。不知道什么原因JDK5.0中的收集器沒有使用這種算法的。

分代收集（Generational Collecting）:基於對對象生命周期分析后得出的垃圾回收算法。把對象分為年青代、年老代、持久代，對不同生命周期的對象使用不同的算法（上述方式中的一個）進行回收。現在的垃圾回收器（從J2SE1.2開始）都是使用此算法的。

按系統線程分

串行收集:串行收集使用單線程處理所有垃圾回收工作，因為無需多線程交互，實現容易，而且效率比較高。但是，其局限性也比較明顯，即無法使用多處理器的優勢，所以此收集適合單處理器機器。當然，此收集器也可以用在小數據量（100M左右）情況下的多處理器機器上。

並行收集:並行收集使用多線程處理垃圾回收工作，因而速度快，效率高。而且理論上CPU數目越多，越能體現出並行收集器的優勢。

並發收集:相對於串行收集和並行收集而言，前面兩個在進行垃圾回收工作時，需要暫停整個運行環境，而只有垃圾回收程序在運行，因此，系統在垃圾回收時會有明顯的暫停，而且暫停時間會因為堆越大而越長。

三、垃圾回收面臨的問題

如何區分垃圾

上面說到的“引用計數”法，通過統計控制生成對象和刪除對象時的引用數來判斷。垃圾回收程序收集計數為0的對象即可。但是這種方法無法解決循環引用。所以，后來實現的垃圾判斷算法中，都是從程序運行的根節點出發，遍歷整個對象引用，查找存活的對象。那么在這種方式的實現中，垃圾回收從哪兒開始的呢？即，從哪兒開始查找哪些對象是正在被當前系統使用的。上面分析的堆和棧的區別，其中棧是真正進行程序執行地方，所以要獲取哪些對象正在被使用，則需要從Java棧開始。同時，一個棧是與一個線程對應的，因此，如果有多個線程的話，則必須對這些線程對應的所有的棧進行檢查。

 

同時，除了棧外，還有系統運行時的寄存器等，也是存儲程序運行數據的。這樣，以棧或寄存器中的引用為起點，我們可以找到堆中的對象，又從這些對象找到對堆中其他對象的引用，這種引用逐步擴展，最終以null引用或者基本類型結束，這樣就形成了一顆以Java棧中引用所對應的對象為根節點的一顆對象樹，如果棧中有多個引用，則最終會形成多顆對象樹。在這些對象樹上的對象，都是當前系統運行所需要的對象，不能被垃圾回收。而其他剩余對象，則可以視為無法被引用到的對象，可以被當做垃圾進行回收。

因此，垃圾回收的起點是一些根對象（java棧, 靜態變量, 寄存器...）。而最簡單的Java棧就是Java程序執行的main函數。這種回收方式，也是上面提到的“標記-清除”的回收方式

如何處理碎片

由於不同Java對象存活時間是不一定的，因此，在程序運行一段時間以后，如果不進行內存整理，就會出現零散的內存碎片。碎片最直接的問題就是會導致無法分配大塊的內存空間，以及程序運行效率降低。所以，在上面提到的基本垃圾回收算法中，“復制”方式和“標記-整理”方式，都可以解決碎片的問題。

如何解決同時存在的對象創建和對象回收問題

垃圾回收線程是回收內存的，而程序運行線程則是消耗（或分配）內存的，一個回收內存，一個分配內存，從這點看，兩者是矛盾的。因此，在現有的垃圾回收方式中，要進行垃圾回收前，一般都需要暫停整個應用（即：暫停內存的分配），然后進行垃圾回收，回收完成后再繼續應用。這種實現方式是最直接，而且最有效的解決二者矛盾的方式。

但是這種方式有一個很明顯的弊端，就是當堆空間持續增大時，垃圾回收的時間也將會相應的持續增大，對應應用暫停的時間也會相應的增大。一些對相應時間要求很高的應用，比如最大暫停時間要求是幾百毫秒，那么當堆空間大於幾個G時，就很有可能超過這個限制，在這種情況下，垃圾回收將會成為系統運行的一個瓶頸。為解決這種矛盾，有了並發垃圾回收算法，使用這種算法，垃圾回收線程與程序運行線程同時運行。在這種方式下，解決了暫停的問題，但是因為需要在新生成對象的同時又要回收對象，算法復雜性會大大增加，系統的處理能力也會相應降低，同時，“碎片”問題將會比較難解決。

四、分代垃圾回收詳述（1）

為什么要分代

分代的垃圾回收策略，是基於這樣一個事實：不同的對象的生命周期是不一樣的。因此，不同生命周期的對象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率。

在Java程序運行的過程中，會產生大量的對象，其中有些對象是與業務信息相關，比如Http請求中的Session對象、線程、Socket連接，這類對象跟業務直接掛鈎，因此生命周期比較長。但是還有一些對象，主要是程序運行過程中生成的臨時變量，這些對象生命周期會比較短，比如：String對象，由於其不變類的特性，系統會產生大量的這些對象，有些對象甚至只用一次即可回收。

試想，在不進行對象存活時間區分的情況下，每次垃圾回收都是對整個堆空間進行回收，花費時間相對會長，同時，因為每次回收都需要遍歷所有存活對象，但實際上，對於生命周期長的對象而言，這種遍歷是沒有效果的，因為可能進行了很多次遍歷，但是他們依舊存在。因此，分代垃圾回收采用分治的思想，進行代的划分，把不同生命周期的對象放在不同代上，不同代上采用最適合它的垃圾回收方式進行回收。

如何分代

如圖所示

虛擬機中的共划分為三個代：年輕代（Young Generation）、年老點（Old Generation）和持久代（Permanent Generation）。其中持久代主要存放的是Java類的類信息，與垃圾收集要收集的Java對象關系不大。年輕代和年老代的划分是對垃圾收集影響比較大的。

年輕代:

所有新生成的對象首先都是放在年輕代的。年輕代的目標就是盡可能快速的收集掉那些生命周期短的對象。

年輕代分三個區。一個Eden區，兩個Survivor區(一般而言)。大部分對象在Eden區中生成。當Eden區滿時，還存活的對象將被復制到Survivor區（兩個中的一個），當這個Survivor區滿時，此區的存活對象將被復制到另外一個Survivor區，當這個Survivor去也滿了的時候，從第一個Survivor區復制過來的並且此時還存活的對象，將被復制“年老區(Tenured)”。需要注意，Survivor的兩個區是對稱的，沒先后關系，所以同一個區中可能同時存在從Eden復制過來 對象，和從前一個Survivor復制過來的對象，而復制到年老區的只有從第一個Survivor去過來的對象。而且，Survivor區總有一個是空的。同時，根據程序需要，Survivor區是可以配置為多個的（多於兩個），這樣可以增加對象在年輕代中的存在時間，減少被放到年老代的可能。

年老代:

在年輕代中經歷了N次垃圾回收后仍然存活的對象，就會被放到年老代中。因此，可以認為年老代中存放的都是一些生命周期較長的對象。

持久代:

用於存放靜態文件，如今Java類、方法等。持久代對垃圾回收沒有顯著影響，但是有些應用可能動態生成或者調用一些class，例如Hibernate等，在這種時候需要設置一個比較大的持久代空間來存放這些運行過程中新增的類。持久代大小通過-XX:MaxPermSize=<N>進行設置。

什么情況下觸發垃圾回收

由於對象進行了分代處理，因此垃圾回收區域、時間也不一樣。GC有兩種類型：Scavenge GC和Full GC。

Scavenge GC

一般情況下，當新對象生成，並且在Eden申請空間失敗時，就會觸發Scavenge GC，對Eden區域進行GC，清除非存活對象，並且把尚且存活的對象移動到Survivor區。然后整理Survivor的兩個區。這種方式的GC是對年輕代的Eden區進行，不會影響到年老代。因為大部分對象都是從Eden區開始的，同時Eden區不會分配的很大，所以Eden區的GC會頻繁進行。因而，一般在這里需要使用速度快、效率高的算法，使Eden去能盡快空閑出來。

Full GC

對整個堆進行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因為需要對整個對進行回收，所以比Scavenge GC要慢，因此應該盡可能減少Full GC的次數。在對JVM調優的過程中，很大一部分工作就是對於FullGC的調節。有如下原因可能導致Full GC：

• 年老代（Tenured）被寫滿
• 持久代（Perm）被寫滿
• System.gc()被顯示調用
• 上一次GC之后Heap的各域分配策略動態變化

1.7 JVM調優-分代垃圾回收詳述

分代垃圾回收流程示意

 

 

 

 

選擇合適的垃圾收集算法

串行收集器

 

用單線程處理所有垃圾回收工作，因為無需多線程交互，所以效率比較高。但是，也無法使用多處理器的優勢，所以此收集器適合單處理器機器。當然，此收集器也可以用在小數據量（100M左右）情況下的多處理器機器上。可以使用-XX:+UseSerialGC打開。

並行收集器

 

對年輕代進行並行垃圾回收，因此可以減少垃圾回收時間。一般在多線程多處理器機器上使用。使用-XX:+UseParallelGC.打開。並行收集器在J2SE5.0第六6更新上引入，在Java SE6.0中進行了增強--可以對年老代進行並行收集。如果年老代不使用並發收集的話，默認是使用單線程進行垃圾回收，因此會制約擴展能力。

使用-XX:+UseParallelOldGC打開。

使用-XX:ParallelGCThreads=<N>設置並行垃圾回收的線程數。此值可以設置與機器處理器數量相等。

此收集器可以進行如下配置：

最大垃圾回收暫停:指定垃圾回收時的最長暫停時間，通過-XX:MaxGCPauseMillis=<N>指定。<N>為毫秒.如果指定了此值的話，堆大小和垃圾回收相關參數會進行調整以達到指定值。設定此值可能會減少應用的吞吐量。

吞吐量:吞吐量為垃圾回收時間與非垃圾回收時間的比值，通過-XX:GCTimeRatio=<N>來設定，公式為1/（1+N）。例如，-XX:GCTimeRatio=19時，表示5%的時間用於垃圾回收。默認情況為99，即1%的時間用於垃圾回收。

並發收集器

可以保證大部分工作都並發進行（應用不停止），垃圾回收只暫停很少的時間，此收集器適合對響應時間要求比較高的中、大規模應用。使用-XX:+UseConcMarkSweepGC打開。

 

並發收集器主要減少年老代的暫停時間，他在應用不停止的情況下使用獨立的垃圾回收線程，跟蹤可達對象。在每個年老代垃圾回收周期中，在收集初期並發收集器 會對整個應用進行簡短的暫停，在收集中還會再暫停一次。第二次暫停會比第一次稍長，在此過程中多個線程同時進行垃圾回收工作。

並發收集器使用處理器換來短暫的停頓時間。在一個N個處理器的系統上，並發收集部分使用K/N個可用處理器進行回收，一般情況下1<=K<=N/4。

在只有一個處理器的主機上使用並發收集器，設置為incremental mode模式也可獲得較短的停頓時間。

浮動垃圾：由於在應用運行的同時進行垃圾回收，所以有些垃圾可能在垃圾回收進行完成時產生，這樣就造成了“Floating Garbage”，這些垃圾需要在下次垃圾回收周期時才能回收掉。所以，並發收集器一般需要20%的預留空間用於這些浮動垃圾。

Concurrent Mode Failure：並發收集器在應用運行時進行收集，所以需要保證堆在垃圾回收的這段時間有足夠的空間供程序使用，否則，垃圾回收還未完成，堆空間先滿了。這種情況下將會發生“並發模式失敗”，此時整個應用將會暫停，進行垃圾回收。

啟動並發收集器：因為並發收集在應用運行時進行收集，所以必須保證收集完成之前有足夠的內存空間供程序使用，否則會出現“Concurrent Mode Failure”。通過設置-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=<N>指定還有多少剩余堆時開始執行並發收集

小結

串行處理器：

--適用情況：數據量比較小（100M左右）；單處理器下並且對響應時間無要求的應用。

--缺點：只能用於小型應用

並行處理器：

--適用情況：“對吞吐量有高要求”，多CPU、對應用響應時間無要求的中、大型應用。舉例：后台處理、科學計算。

--缺點：垃圾收集過程中應用響應時間可能加長

並發處理器：

--適用情況：“對響應時間有高要求”，多CPU、對應用響應時間有較高要求的中、大型應用。舉例：Web服務器/應用服務器、電信交換、集成開發環境。

后續更新下半部分.......