JVM内存结构、参数调优和内存泄露分析

1. JVM内存区域和参数配置

1.1 JVM内存结构

Java堆（Heap）

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。

方法区（Method Area）

方法区（Method Area）与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据

程序计数器（Program Counter Register）

由于Java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任何一个确定的时刻，一个处理器（对于多核处理器来说是一个内核）只会执行一条线程中的指令。因此，为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，每条线程都需要有一个独立的程序计数器，各条线程之间的计数器互不影响，独立存储，我们称这类内存区域为“线程私有”的内存

JVM栈（JVM Stacks）

Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法被执行的时候都会同时创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法被调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程

本地方法栈（Native Method Stacks）

本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务

 直接内存

直接内存（Direct Memory）并不是虚拟机运行时数据区的一部分， 也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域。但是这部分内存也被频繁地使用，而且也可能导致OutOfMemoryError异常出现，所以我们放到这里一起讲解。

在JDK 1.4中新加入了NIO（New Input/Output）类，引入了一种基于通道（Channel）与缓冲区（Buffer）的I/O方式，它可以使用Native函数库直接分配堆外内存，然后通过一个存储在Java堆中的

DirectByteBuffer对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能，因为避免了在Java堆和Native堆中来回复制数据。

1.2 jvm内存大小配置

JVM内存大小配置可以参考如下计算公式

总大小     3-4 倍活跃数据的大小

新生代     1-1.5 活跃数据的大小

老年代     2-3 倍活跃数据的大小

永久代     1.2-1.5 倍Full GC后的永久代空间占用

例如，根据GC日志获得老年代的活跃数据大小为300M，那么各分区大小可以设为：

总堆：1200MB = 300MB × 4

新生代：450MB = 300MB × 1.5

老年代： 750MB = 1200MB - 450MB*

没有直接设置老年代的参数，但是可以设置堆空间大小和新生代空间大小两个参数来间接控制。老年代空间大小=堆空间大小-年轻代大空间大小

Sun官方建议年轻代的大小为整个堆的3/8左右， 所以按照上述设置的方式，基本符合Sun的建议。

1.3 堆内存相关参数

参数名称	含义	默认值
-Xms	初始堆大小	物理内存的1/64(<1GB)	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	物理内存的1/4(<1GB)	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	物理内存的1/64
-XX:MaxPermSize	设置持久代最大值	物理内存的1/4
-XX:MetaspaceSize		12M到20M浮动	java -XX:+PrintFlagsInitial 命令查看
XX:MaxMetaspaceSize
-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: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

并行收集器相关参数

-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.)

CMS相关参数

-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

辅助信息

-XX:+PrintGC			输出形式: [GC 118250K->113543K(130112K), 0.0094143 secs] [Full GC 121376K->10414K(130112K), 0.0650971 secs]
-XX:+PrintGCDetails			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][Tenured: 112761K->10414K(121024K), 0.0433488 secs] 121376K->10414K(130112K), 0.0436268 secs]
-XX:+PrintGCTimeStamps
-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

2.  垃圾收集器

2.1  垃圾收集算法

2.1.1   复制算法

复制算法采用的方式为从根集合进行扫描，将存活的对象移动到一块空闲的区域，如图所示：

当存活的对象较少时，复制算法会比较高效（新生代的Eden区就是采用这种算法），其带来的成本是需要一块额外的空闲空间和对象的移动。

2.1.2   标记-清除算法

标记-清除：该算法采用的方式是从跟集合开始扫描，对存活的对象进行标记，标记完毕后，再扫描整个空间中未被标记的对象，并进行清除。

清除阶段清理的是没有被引用的对象，存活的对象被保留。

标记-清除动作不需要移动对象，且仅对不存活的对象进行清理，在空间中存活对象较多的时候，效率较高，但由于只是清除，没有重新整理，因此会造成内存碎片。

2.1.3   标记-压缩算法

标记-压缩：该算法与标记-清除算法类似，都是先对存活的对象进行标记，但是在清除后会把活的对象向左端空闲空间移动，然后再更新其引用对象的指针

由于进行了移动规整动作，该算法避免了标记-清除的碎片问题，但由于需要进行移动，因此成本也增加了。（该算法适用于旧生代）

2.2   垃圾收集器

2.2.1   串行收集器（Serial GC）

Serial GC是最古老也是最基本的收集器，但是现在依然广泛使用，JAVA SE5和JAVA SE6中客户端虚拟机采用的默认配置。比较适合于只有一个处理器的系统。在串行处理器中minor和major GC过程都是用一个线程进行回收的。它的最大特点是在进行垃圾回收时，需要对所有正在执行的线程暂停（stop the world），对于有些应用是难以接受的，但是如果应用的实时性要求不是那么高，只要停顿的时间控制在N毫秒之内，大多数应用还是可以接受的，而且事实上，它并没有让我们失望，几十毫秒的停顿，对于我们客户机是完全可以接受的，该收集器适用于单CPU、新生代空间较小且对暂停时间要求不是特别高的应用上。

2.2.2   ParNew GC

ParNew收集器除了多线程收集之外，其他与Serial收集器相比并没有太多创新之处，但它却是许多运行在Server模式下的虚拟机中首选的新生代收集器，其中有一个与性能无关但很重要的原因是，除了Serial 收集器外，目前只有它能与CMS收集器配合工作

2.2.3   Parallel Scavenge GC

Parallel Scavenge收集器是一个新生代收集器，它也是使用复制算法的收集器，又是并行的多线程收集器，Parallel Scavenge收集器提供了两个参数用于精确控制吞吐量，分别是控制最大垃圾收集停顿时间的-XX：MaxGCPauseMillis参数以及直接设置吞吐量大小的-XX：GCTimeRatio参数,Parallel Scavenge收集器还有一个参数-XX：+UseAdaptiveSizePolicy值得关注。这是一个开关参数，当这个参数打开之后，就不需要手工指定新生代的大小（-Xmn）、Eden 与Survivor区的比例（-XX：SurvivorRatio）、晋升老年代对象年龄（-XX：PretenureSizeThreshold）等细节参数

2.2.4   Serial Old收集器

Serial    Old是Serial收集器的老年代版本，它同样是一个单线程收集器，使用“标记-整理”算法。这个收集器的主要意义也是在于给Client模式下的虚拟机使用。如果在Server模式下，那么它主要还有两大用途： 一种用途是在JDK 1.5以及之前的版本中与Parallel Scavenge收集器搭配使用^[1]，另一种用途就是作为CMS收集器的后备预案，在并发收集发生Concurrent Mode Failure时使用

2.2.5   Parallel  Scavenge Old收集器

Parallel Old是Parallel  Scavenge收集器的老年代版本,在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，都可以优先考虑Parallel Scavenge加Parallel Old收集器

2.2.6   CMS收集器

CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的收集器。目前很大一部分的Java应用集中在互联网站或者

B/S系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。CMS收集器就非常符合这类应用的需求。

从名字（包含“Mark      Sweep”）上就可以看出，CMS收集器是基于“标记—清除”算法实现的，它的运作过程相对于前面几种收集器来说更复杂一些，整个过程分为4个步骤，包括：

初始标记（CMS initial mark）

并发标记（CMS concurrent mark）

重新标记（CMS remark）

并发清除（CMS concurrent sweep）

CMS收集器的优点：并发收集、低停顿，但远没有达到完美；

CMS收集器的缺点：

CMS收集器对CPU资源非常敏感，在并发阶段虽然不会导致用户停顿，但是会占用CPU资源而导致应用程序变慢，总吞吐量下降。

CMS收集器无法处理浮动垃圾，可能出现“Concurrnet Mode Failure”，失败而导致另一次的Full GC。
CMS收集器是基于标记-清除算法的实现，因此也会产生碎片。

2.2.7   G1收集器

相比CMS收集器有不少改进，首先，基于标记-压缩算法，不会产生内存碎片，其次可以比较精确的控制停顿

2.3   垃圾收集器选择原则

有这么多的垃圾回收器，那么如果有人问，Serial GC、Parallel GC、Concurrent Mark Sweep GC这三个GC我们如何选择呢？请记住以下口令：

• 如果你想要最小化地使用内存和并行开销，请选Serial GC；
• 如果你想要最大化应用程序的吞吐量，请选Parallel GC；
• 如果你想要最小化GC的中断或停顿时间，请选CMS GC。

3.   参数调优原则

1、  调优，在调优之前，我们需要记住下面的原则：

• 多数的Java应用不需要在服务器上进行GC优化；
• 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；
• 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）；
• 减少创建对象的数量；
• 减少使用全局变量和大对象；
• GC优化是到最后不得已才采用的手段；
• 在实际使用中，分析GC情况优化代码比优化GC参数要多得多；

2、 分析结果，判断是否需要优化，如果满足下面的指标，则一般不需要进行GC

Minor GC执行时间不到50ms；

Minor GC执行不频繁，约10秒一次；

Full GC执行时间不到1s；

Full GC执行频率不算频繁，不低于10分钟1次；

3、  调整GC类型和内存分配

如果内存分配过大或过小，或者采用的GC收集器比较慢，则应该优先调整这些参数，并且先找1台或几台机器进行beta，然后比较优化过的机器和没有优化的机器的性能对比，并有针对性的做出最后选择

4.   JVM 发生OOM的六种情况

4.1   java.lang.OutofMemoryError:Java heap space

GC无法回收掉对象内存，此类错误一般通过Eclipse Memory Analyzer分析OOM时dump的内存快照就能分析出来，到底是由于程序原因导致的内存泄露

没有估计好JVM内存的大小而导致的内存溢出。Java堆常用的JVM参数-Xms、-Xmx、-Xmn参数设置太低

4.2   java.lang.StackOverflowError

如果请求栈的深度不足时抛出的错误，一般为程序的无限递归造成的

解决方法：修改JVM参数，将Xss参数改大，增加栈内存。栈内存溢出一定是做批量操作引起的，减少批处理数据量。

4.3   java.lang.OutofMemoryError: unable to create new native thread

申请创建的线程比较多超过剩余内存的时候，也会抛出如下类似错误，-Xss: 每个线程的栈大小,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.（32位机器出现，64位机器应该很难出现）：

4.4   Java.lang.OutofMemoryError: PermGen space

错误的原因是：太多的类或者太大的类被加载到permanent generation

当在应用程序启动期间触发由于PermGen耗尽引起的OutOfMemoryError时，解决方案很简单。 应用程序需要更多的空间来加载所有的类到PermGen区域, -XX：MaxPermSize=512m

运行期间触发OutofMemoryError，是否代码在运行时不停的生成类并加载到持久代中，如果为代码可以通过-XX:+CMSClassUnloadingEnabled，-XX:+UseConcMarkSweepGC等参数配合，GC将扫描PermGen区并清理已经不再使用的类

4.5    java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace

太多的类或太大的类加载到元空间。

解决措施增大参数值-XX：MaxMetaspaceSize = 512m，另一个方法就是删除此参数来完全解除对Metaspace大小的限制（默认是没有限制的）

4.6   java.lang.OutOfMemoryError:Direct buffer memory

解决措施: 调整-XX:MaxDirectMemorySize=参数，不要加上DisableExplicitGC这个参数，因为这个参数会把你的System.gc()视作空语句，最后很容易导致OOM

5.   内存泄露实例分析步骤

通过在钱包支付的测试过程中发现2起内存泄露问题为例，讲解分析过程

5.1   堆内存泄露

1、通过内部工具监控GC（还有很多其他的监控工具自带可视化jconsole，Java VisualVM， 命令行有jstat）

2、通过命令找到进程ID（可以通过命令ps -ef）

3、查看内存实际使用类，对象，查看可疑类

　　jmap -heap pid(在CMS GC的情况下可能造成进程挂起，查看内存各区域used,free情况，以及内存参数配置，执行很快)

　　jmap -histo -F pid(能查到在内存里哪些类，类有多少实例，占多少空间，注意使用该命令时，比较慢，进程暂停对外工作)

4、生成dump

方法一： jmap -dump:live, format=b, file=fileName pid       将内存使用情况导出到文件中

方法二：JVM启动时增加两个参数:

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
-XX:HeapDumpPath=/home/

5.2   Direct Memory泄露

一：测试在20分钟左右，jmeter接口返回全部为502错误，停止压测，改用单个线程测试，也全部返回502，怀疑服务已经崩溃

二：查看服务日志，日志显示Direct  buffer memory 内存溢出，确认问题

三：检查进程内存占用物理内存为5-6个G，同时检测堆内存，内存和GC正常

四：检查直接内存配置项，通过检查jvm的配置参数-XX:MaxDirectMemorySize，无此选项，说明使用默认值，不存在值设置过低的问题，默认为jvm堆内存大小，查看参数设置时发现有

启动参数有-XX:+DisableExplicitGC，该配置会导致系统调用System.gc()失效，DirectMemory不够时会调用System.gc()，从而执行full gc回收内存（包括DirectMemory），但是此配置把这条路径关闭了

所以直接删除该参数问题就解决了