JVM — 性能调优

概念：

一：堆(Heap)和非堆(Non-heap)内存

　　按照官方的说法：“Java 虚拟机具有一个堆，堆是运行时数据区域，所有类实例和数组的内存均从此处分配。堆是在 Java 虚拟机启动时创建的。”“在JVM中堆之外的内存称为非堆内存(Non-heap memory)”。

　   可以看出JVM主要管理两种类型的内存：堆和非堆。简单来说堆就是Java代码可及的内存，是留给开发人员使用的；非堆就是JVM留给自己用的。
 　   所以方法区、JVM内部处理或优化所需的内存(如JIT编译后的代码缓存)、每个类结构(如运行时常数池、字段和方法数据)以及方法和构造方法的代码都在非堆内存中。

二：jvm参数的含义

　例：

　　-Xms128m 　　JVM初始分配的堆内存
　　-Xmx512m　　 JVM最大允许分配的堆内存，按需分配
　　-XX:PermSize=64M 　　JVM初始分配的非堆内存
　　-XX:MaxPermSize=128M 　　JVM最大允许分配的非堆内存，按需分配

　　Xmx（memory max）代表程序最大可以从操作系统中获取的内存数量，Xms（memory start ）代表程序启动的时候从操作系统中获取的内存数量。

　　比如java -cp . -Xms80m -Xmx256m 说明这个程序启动的时候使用80m的内存，最多可以从操作系统中获取256m的内存。

三：堆内存分配和非堆内存分配

　　堆内存分配：

　　   JVM初始分配的堆内存由-Xms指定，默认是物理内存的1/64；JVM最大分配的堆内存由-Xmx指定，默认是物理内存的1/4。默认空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制；
 空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到-Xms的最小限制。因此服务器一般设置-Xms、-Xmx 相等以避免在每次GC 后调整堆的大小。
 　　说明：如果-Xmx 不指定或者指定偏小，应用可能会导致java.lang.OutOfMemory错误，此错误来自JVM，不是Throwable的，无法用try...catch捕捉。

　　非堆内存分配：

　　   JVM使用-XX:PermSize设置非堆内存初始值，默认是物理内存的1/64；由XX:MaxPermSize设置最大非堆内存的大小，默认是物理内存的1/4。（还有一说：MaxPermSize缺省值和-server -client选项相关，-server选项下默认MaxPermSize为64m，-client选项下默认MaxPermSize为32m。这个我没有实验。）
 　　上面错误信息中的PermGen space的全称是Permanent Generation space，是指内存的永久保存区域。还没有弄明白PermGen space是属于非堆内存，还是就是非堆内存，但至少是属于了。
　　 XX:MaxPermSize设置过小会导致java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space 就是内存益出。 
　　 说说为什么会内存益出： 
　　　　（1）这一部分内存用于存放Class和Meta的信息，Class在被 Load的时候被放入PermGen space区域，它和存放Instance的Heap区域不同。 
　　　　（2）GC(Garbage Collection)不会在主程序运行期对PermGen space进行清理，所以如果你的APP会LOAD很多CLASS 的话,就很可能出现PermGen space错误。
  　　　　这种错误常见在web服务器对JSP进行pre compile的时候。

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（1）JVM内存模型及垃圾收集算法

　　1.根据Java虚拟机规范，JVM将内存划分为：　　

• • New（年轻代）
  • Tenured（年老代）
  • 永久代（Perm）

　　其中New和Tenured属于堆内存，堆内存会从JVM启动参数（-Xmx:3G）指定的内存中分配，Perm不属于堆内存，有虚拟机直接分配，但可以通过-XX:PermSize -XX:MaxPermSize 等参数调整其大小。

• 年轻代（New）：年轻代用来存放JVM刚分配的Java对象
• 年老代（Tenured)：年轻代中经过垃圾回收没有回收掉的对象将被Copy到年老代
• 永久代（Perm）：永久代存放Class、Method元信息，其大小跟项目的规模、类、方法的量有关，一般设置为128M就足够，设置原则是预留30%的空间。　　

　　New又分为几个部分：

• Eden：Eden用来存放JVM刚分配的对象
• Survivor1
• Survivro2：两个Survivor空间一样大，当Eden中的对象经过垃圾回收没有被回收掉时，会在两个Survivor之间来回Copy，当满足某个条件，比如Copy次数，就会被Copy到Tenured。显然，Survivor只是增加了对象在年轻代中的逗留时间，增加了被垃圾回收的可能性。　

 　　2.垃圾回收算法

　　垃圾回收算法可以分为三类，都基于标记-清除（复制）算法：

• • Serial算法（单线程）
  • 并行算法
  • 并发算法

　　JVM会根据机器的硬件配置对每个内存代选择适合的回收算法，比如，如果机器多于1个核，会对年轻代选择并行算法，关于选择细节请参考JVM调优文档。

　　稍微解释下的是，并行算法是用多线程进行垃圾回收，回收期间会暂停程序的执行，而并发算法，也是多线程回收，但期间不停止应用执行。所以，并发算法适用于交互性高的一些程序。经过观察，并发算法会减少年轻代的大小，其实就是使用了一个大的年老代，这反过来跟并行算法相比吞吐量相对较低。

　　还有一个问题是，垃圾回收动作何时执行？

• 当年轻代内存满时，会引发一次普通GC，该GC仅回收年轻代。需要强调的时，年轻代满是指Eden代满，Survivor满不会引发GC
• 当年老代满时会引发Full GC，Full GC将会同时回收年轻代、年老代
• 当永久代满时也会引发Full GC，会导致Class、Method元信息的卸载

另一个问题是，何时会抛出OutOfMemoryException，并不是内存被耗空的时候才抛出

• JVM98%的时间都花费在内存回收
• 每次回收的内存小于2%

满足这两个条件将触发OutOfMemoryException，这将会留给系统一个微小的间隙以做一些Down之前的操作，比如手动打印Heap Dump。

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（2）内存泄漏及解决方法　　

1.系统崩溃前的一些现象：

• 每次垃圾回收的时间越来越长，由之前的10ms延长到50ms左右，FullGC的时间也有之前的0.5s延长到4、5s
• FullGC的次数越来越多，最频繁时隔不到1分钟就进行一次FullGC
• 年老代的内存越来越大并且每次FullGC后年老代没有内存被释放

　　之后系统会无法响应新的请求，逐渐到达OutOfMemoryError的临界值。

2.生成堆的dump文件

　　通过JMX的MBean生成当前的Heap信息，大小为一个3G（整个堆的大小）的hprof文件，如果没有启动JMX可以通过Java的jmap命令来生成该文件。

3.分析dump文件

　　下面要考虑的是如何打开这个3G的堆信息文件，显然一般的Window系统没有这么大的内存，必须借助高配置的Linux。当然我们可以借助X-Window把Linux上的图形导入到Window。我们考虑用下面几种工具打开该文件：

1. Visual VM
2. IBM HeapAnalyzer
3. JDK 自带的Hprof工具

　　使 用这些工具时为了确保加载速度，建议设置最大内存为6G。使用后发现，这些工具都无法直观地观察到内存泄漏，Visual VM虽能观察到对象大小，但看不到调用堆栈；HeapAnalyzer虽然能看到调用堆栈，却无法正确打开一个3G的文件。因此，我们又选用了 Eclipse专门的静态内存分析工具：Mat。

4.分析内存泄漏

　　 通过Mat我们能清楚地看到，哪些对象被怀疑为内存泄漏，哪些对象占的空间最大及对象的调用关系。针对本案，在ThreadLocal中有很多的JbpmContext实例，经过调查是JBPM的Context没有关闭所致。

另，通过Mat或JMX我们还可以分析线程状态，可以观察到线程被阻塞在哪个对象上，从而判断系统的瓶颈。

5.回归问题

Q：为什么崩溃前垃圾回收的时间越来越长？

A:根据内存模型和垃圾回收算法，垃圾回收分两部分：内存标记、清除（复制），标记部分只要内存大小固定时间是不变的，变的是复制部分，因为每次垃圾回收都有一些回收不掉的内存，所以增加了复制量，导致时间延长。所以，垃圾回收的时间也可以作为判断内存泄漏的依据

Q：为什么Full GC的次数越来越多？

A：因此内存的积累，逐渐耗尽了年老代的内存，导致新对象分配没有更多的空间，从而导致频繁的垃圾回收

Q:为什么年老代占用的内存越来越大？

A:因为年轻代的内存无法被回收，越来越多地被Copy到年老代

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三：性能调优

　　从四个方便入手：　　

• • 线程池：解决用户响应时间长的问题
  • 连接池
  • JVM启动参数：调整各代的内存比例和垃圾回收算法，提高吞吐量
  • 程序算法：改进程序逻辑算法提高性能

　　下面只介绍JVM的启动参数优化

　　 在JVM启动参数中，可以设置跟内存、垃圾回收相关的一些参数设置，默认情况不做任何设置JVM会工作的很好，但对一些配置很好的Server和具体的应用必须仔细调优才能获得最佳性能。通过设置我们希望达到一些目标：

• GC的时间足够的小
• GC的次数足够的少
• 发生Full GC的周期足够的长

　　前两个目前是相悖的，要想GC时间小必须要一个更小的堆，要保证GC次数足够少，必须保证一个更大的堆，我们只能取其平衡。

（1）针对JVM堆的设置，一般可以通过-Xms -Xmx限定其最小、最大值，为了防止垃圾收集器在最小、最大之间收缩堆而产生额外的时间，我们通常把最大、最小设置为相同的值
   （2）年轻代和年老代将根据默认的比例（1：2）分配堆内存， 可以通过调整二者之间的比率NewRadio来调整二者之间的大小，也可以针对回收代，比如年轻代，通过 -XX:newSize -XX:MaxNewSize来设置其绝对大小。同样，为了防止年轻代的堆收缩，我们通常会把-XX:newSize -XX:MaxNewSize设置为同样大小

（3）年轻代和年老代设置多大才算合理？这个我问题毫无疑问是没有答案的，否则也就不会有调优。我们观察一下二者大小变化有哪些影响

• 更大的年轻代必然导致更小的年老代，大的年轻代会延长普通GC的周期，但会增加每次GC的时间；小的年老代会导致更频繁的Full GC
• 更小的年轻代必然导致更大年老代，小的年轻代会导致普通GC很频繁，但每次的GC时间会更短；大的年老代会减少Full GC的频率
• 如何选择应该依赖应用程序对象生命周期的分布情况： 如果应用存在大量的临时对象，应该选择更大的年轻代；如果存在相对较多的持久对象，年老代应该适当增大。但很多应用都没有这样明显的特性，在抉择时应该根 据以下两点：（A）本着Full GC尽量少的原则，让年老代尽量缓存常用对象，JVM的默认比例1：2也是这个道理 （B）通过观察应用一段时间，看其他在峰值时年老代会占多少内存，在不影响Full GC的前提下，根据实际情况加大年轻代，比如可以把比例控制在1：1。但应该给年老代至少预留1/3的增长空间

（4）在配置较好的机器上（比如多核、大内存），可以为年老代选择并行收集算法： -XX:+UseParallelOldGC ，默认为Serial收集

（5）线程堆栈的设置：每个线程默认会开启1M的堆栈，用于存放栈帧、调用参数、局部变量等，对大多数应用而言这个默认值太了，一般256K就足用。理论上，在内存不变的情况下，减少每个线程的堆栈，可以产生更多的线程，但这实际上还受限于操作系统。

（4）可以通过下面的参数打Heap Dump信息

• -XX:HeapDumpPath
• -XX:+PrintGCDetails
• -XX:+PrintGCTimeStamps
• -Xloggc:/usr/aaa/dump/heap_trace.txt

通过下面参数可以控制OutOfMemoryError时打印堆的信息

• -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

　请看一下一个时间的Java参数配置：（服务器：Linux 64Bit，8Core×16G）

JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -server -Xms3G -Xmx3G -Xss256k -XX:PermSize=128m -XX:MaxPermSize=128m -XX:+UseParallelOldGC -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/usr/aaa/dump -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -Xloggc:/usr/aaa/dump/heap_trace.txt -XX:NewSize=1G -XX:MaxNewSize=1G"

　　经过观察该配置非常稳定，每次普通GC的时间在10ms左右，Full GC基本不发生，或隔很长很长的时间才发生一次

　　通过分析dump文件可以发现，每个1小时都会发生一次Full GC，经过多方求证，只要在JVM中开启了JMX服务，JMX将会1小时执行一次Full GC以清除引用。

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调优方法：

　　一切都是为了这一步，调优，在调优之前，我们需要记住下面的原则：

　　　　1、多数的Java应用不需要在服务器上进行GC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、GC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GC参数要多得多；

　　GC优化的目的有两个：　　　

　　　　1、将转移到老年代的对象数量降低到最小；

　　　　2、减少full GC的执行时间；　　

　　为了达到上面的目的，一般地，你需要做的事情有：

　　　　1、减少使用全局变量和大对象；

　　　　2、调整新生代的大小到最合适；

　　　　3、设置老年代的大小为最合适；

　　　　4、选择合适的GC收集器；

调优实例：

　　实例1：

　　发现部分开发测试机器出现异常：java.lang.OutOfMemoryError: GC overhead limit exceeded，这个异常代表：GC为了释放很小的空间却耗费了太多的时间，其原因一般有两个：1，堆太小，2，有死循环或大对象；

　　首先排除了第2个原因，因为这个应用同时是在线上运行的，如果有问题，早就挂了。所以怀疑是这台机器中堆设置太小；

　　使用ps -ef |grep "java"查看，发现：

　　　

　　该应用的堆区设置只有768m，而机器内存有2g，机器上只跑这一个java应用，没有其他需要占用内存的地方。另外，这个应用比较大，需要占用的内存也比较多；

　　通过上面的情况判断，只需要改变堆中各区域的大小设置即可，于是改成下面的情况：

　　

　　跟踪运行情况发现，相关异常没有再出现

　　实例2：

　　一个服务系统，经常出现卡顿，分析原因，发现Full GC时间太长：

　　jstat -gcutil:

　　　　S0     S1    E     O       P        YGC YGCT FGC FGCT  GCT

　　　　12.16 0.00 5.18 63.78 20.32  54   2.047 5     6.946  8.993 　　

　　分析上面的数据，发现Young GC执行了54次，耗时2.047秒，每次Young GC耗时37ms，在正常范围，而Full GC执行了5次，耗时6.946秒，每次平均1.389s，数据显示出来的问题是：Full GC耗时较长，分析该系统的是指发现，NewRatio=9，也就是说，新生代和老生代大小之比为1:9，这就是问题的原因：

　　1，新生代太小，导致对象提前进入老年代，触发老年代发生Full GC；

　　2，老年代较大，进行Full GC时耗时较大；

　　优化的方法是调整NewRatio的值，调整到4，发现Full GC没有再发生，只有Young GC在执行。这就是把对象控制在新生代就清理掉，没有进入老年代（这种做法对一些应用是很有用的，但并不是对所有应用都要这么做）

　　实例3：

　　一 应用在性能测试过程中，发现内存占用率很高，Full GC频繁，使用sudo -u admin -H  jmap -dump:format=b,file=文件名.hprof pid 来dump内存，生成dump文件，并使用Eclipse下的mat差距进行分析，发现：

　　

　　从图中可以看出，这个线程存在问题，队列LinkedBlockingQueue所引用的大量对象并未释放，导致整个线程占用内存高达378m，此时通知开发人员进行代码优化，将相关对象释放掉即可。

出处资料：https://www.cnblogs.com/downey/p/5352593.html