JVM難學(xué)？那是因為你沒認(rèn)真看完這篇文章

作者：佚名 2018-07-31 14:03:09
云計算
虛擬化 JAVA程序運(yùn)行與虛擬機(jī)之上，運(yùn)行時需要內(nèi)存空間。虛擬機(jī)執(zhí)行JAVA程序的過程中會把它管理的內(nèi)存劃分為不同的數(shù)據(jù)區(qū)域方便管理。

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 一：虛擬機(jī)內(nèi)存圖解

JAVA程序運(yùn)行與虛擬機(jī)之上，運(yùn)行時需要內(nèi)存空間。虛擬機(jī)執(zhí)行JAVA程序的過程中會把它管理的內(nèi)存劃分為不同的數(shù)據(jù)區(qū)域方便管理。

虛擬機(jī)管理內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)域劃分如下圖：

數(shù)據(jù)區(qū)域分類：

方法區(qū)            (Method Area)

虛擬機(jī)棧         (VM Stack)

本地方法棧     (Native Method Stack)

堆                   (Heap)

程序計數(shù)器    (Program Counter Register)

直接內(nèi)存        (Direct Memory)

說明：

1. 程序計數(shù)器

行號指示器，字節(jié)碼指令的分支、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)、異常處理、線程恢復(fù)(CPU切換)，每條線程都需要一個獨立的計數(shù)器，線程私有內(nèi)存互不影響,該區(qū)域不會發(fā)生內(nèi)存溢出異常。

2. 虛擬機(jī)棧

是線程私有的，聲明周期與線程相同，虛擬機(jī)棧是Java方法執(zhí)行的內(nèi)存模型，每個方法被執(zhí)行時都會創(chuàng)建一個棧幀，即方法運(yùn)行期間的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，棧幀用于存儲：局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接、方法出口等，每個方法執(zhí)行中都對應(yīng)虛擬機(jī)棧幀從入棧到處棧的過程。

是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是虛擬機(jī)中的局部變量表，對應(yīng)物理層之上的程序數(shù)據(jù)模型。

局部變量表，是一種程序運(yùn)行數(shù)據(jù)模型，存放了編譯期可知的各種數(shù)據(jù)類型例如：

Boolean、byte、char、short、int、float、long、double、對象引用類型(對象內(nèi)存地址變量，指針或句柄)，程序運(yùn)行時，根據(jù)局部變量表分配棧幀空間大小，在運(yùn)行中，大小是不變的異常類型：stackOverFlowError 線程請求棧深度大于虛擬機(jī)允許深度 OutOfMemory 內(nèi)存空間耗盡無法進(jìn)行擴(kuò)展。

3. 本地方法棧

與虛擬機(jī)棧類似，虛擬機(jī)棧為Java程序服務(wù)，本地方法棧支持虛擬機(jī)的運(yùn)行服務(wù)，具體實現(xiàn)由虛擬機(jī)廠商決定，也會拋出 stackOverFlowError、OutOfMemory異常。

4. 堆

是虛擬機(jī)管理內(nèi)存中最大的一部分，被所有線程共享，用于存放對象實例(對象、數(shù)組)，物理上不連續(xù)的內(nèi)存空間，由于GC收集器，分代收集，所以劃分為：新生代 Eden、From SurVivor空間、To SurVivor空間，allot buffer(分配空間)，可能會劃分出多個線程私有的緩沖區(qū)，老年代。

5. 方法區(qū)

與堆一樣屬于線程共享的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲虛擬機(jī)加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼（動態(tài)加載OSGI）等數(shù)據(jù)。理論上屬于java虛擬機(jī)的一部分，為了區(qū)分開來叫做 Non-Heap非堆。

這個區(qū)域可以選擇不進(jìn)行垃圾回收，該區(qū)域回收目的主要是常量池的回收，及類型的卸載class,內(nèi)存區(qū)不足時會拋出OutOfMemory異常

運(yùn)行時常量池：

方法區(qū)的一部分，Class的版本、字段、接口、方法等，及編譯期生成的各種字面量、符號引用，編譯類加載后存放在該區(qū)域。會拋出OutOfMemory異常。

6. 直接內(nèi)存

直接內(nèi)存不屬于虛擬內(nèi)存區(qū)域，是一種基于通道與緩沖區(qū)的IO方式，可以使用本地函數(shù)直接分配堆外內(nèi)存，在堆中存儲引用的外部內(nèi)存地址，通過引用完成對直接引用內(nèi)存的操作，1.4之后提供的NIO顯著提高效率，避免了堆內(nèi)存與Native內(nèi)存的來回復(fù)制操作，不受虛擬機(jī)內(nèi)存控制，會拋出OUtOfMemory異常。

二：對象訪問內(nèi)部實現(xiàn)過程

對象訪問 涉及到對象的地址變更狀態(tài)變更，內(nèi)存地址移動，變量、接口、實現(xiàn)類、方法、父類型等。

 一、 句柄方式 (訪問)

二、指針方式 (訪問)

優(yōu)缺點：

句柄訪問方式：reference中存儲的是穩(wěn)定的地址，對象變更時只會改變句柄實例數(shù)據(jù)指針，引用本身不需要修改

指針訪問方式：優(yōu)點速度快，節(jié)省了指針定位時間開銷

三：內(nèi)存區(qū)域控制參數(shù)及對應(yīng)溢出異常

開發(fā)過程中，或程序運(yùn)行過程中每次遇到OutOfMemory異?；騁C異常或StackOverflowError異常我們都是一堆參數(shù)亂配，都把值調(diào)大，只是大體知道是跟jvm內(nèi)存分配有關(guān)，具體應(yīng)該怎么調(diào)，對應(yīng)的異常應(yīng)該調(diào)整那些參數(shù)，或者換句話說，jvm內(nèi)存分配區(qū)域中都分別對應(yīng)那些參數(shù)大多數(shù)情況下都是不知道的，只是把相關(guān)的參數(shù)跳上去，預(yù)期結(jié)果都是應(yīng)該起作用，到底能不能起作用，自己心里也沒底。下面就來說一下jvm堆、棧、方法區(qū)等內(nèi)存區(qū)域?qū)?yīng)的參數(shù)，及每個區(qū)域可能拋出的異常類型，發(fā)生異常的場景分析。

一、參數(shù)類型

 1.堆空間參數(shù)

2.?？臻g參數(shù)

3.方法區(qū)空間參數(shù)

4.本機(jī)直接內(nèi)存參數(shù)

二、異常類型

1.OutOfMemory異常

2.StackOverflowError異常

三、輔助參數(shù)說明

1.-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 打印堆內(nèi)存異常時打印出快照信息

2.-XX:+HeapDumpPath 快照輸出路徑

3.-Xmn指定eden區(qū)的大小 -XX:SurvirorRation來調(diào)整幸存區(qū)的大小

4.-XX:PretenureSizeThreshold設(shè)置進(jìn)入老年代的閥值

四、參數(shù)說明、對應(yīng)場景的異常

1.堆內(nèi)存參數(shù)

-Xms：堆最小值（新生代和老年代之和）

-Xmx：堆最大值（新生代和老年代之和）

當(dāng)最小值=最大值時，這時堆內(nèi)存是不可擴(kuò)展的。

例：-Xms80M -Xmx80M

通常將-Xmx和-Xms設(shè)置為一樣的大小來減少gc的次數(shù)，堆內(nèi)存不足時拋出OutOfMemoryError異常。

2.棧內(nèi)存參數(shù)

-Xss

例：-Xss128k

單線程下無論棧幀太大還是棧容量太小，及引用深度超過虛擬機(jī)允許深度都會拋出StackOverflowError每個方法壓入棧的幀大小是不一致的。多線程下當(dāng)每個線程分配棧幀太大內(nèi)存不能夠擴(kuò)展時拋出OutOfMemoryError異常線程棧幀越大，可創(chuàng)建的線程越少。

3.方法區(qū)參數(shù)

-XX:PermSize方法區(qū)內(nèi)存最小值

-XX:MaxPermSize 方法區(qū)內(nèi)存最大值

各個線程共享的內(nèi)存區(qū)域，主要用來存儲類的元數(shù)據(jù)、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)

例：-XX:PermSize=20M -XX:MaxPermSize=20M

異常類型 OutOfMemoryError :

原因：常量過多，或代理反射等使用頻繁

4.本機(jī)直接內(nèi)存參數(shù)

-XX:MaxDirectMemorySize

例：-XX:MaxDirectMemorySize=10M

不足時拋出OutOfMemory異常

四：垃圾收集算法

經(jīng)典的垃圾回收算法以下幾種

 一、標(biāo)記--清除算法(Mark-Sweep)

回收前狀態(tài)：

回收后狀態(tài)：

優(yōu)缺點：

算法執(zhí)行分為兩個階段標(biāo)記與清除，所有的回收算法，基本都

基于標(biāo)記回收算法做了深度優(yōu)化

缺點：效率問題，內(nèi)存空間碎片（不連續(xù)的空間）

二、復(fù)制算法(Copying)

回收前狀態(tài)：

Eden內(nèi)存空間 8

Survivor1空間（From空間）1

Survivor2空間(To空間) 1

Eden內(nèi)存空間與Survivor空間 8:1

回收后狀態(tài)：

Survivor1空間（From空間）1

Eden內(nèi)存空間與Survivor空間 8:1

優(yōu)缺點：

比較標(biāo)記清除算法，避免了回收造成的內(nèi)存碎片問題，

缺點：以局部的內(nèi)存空間犧牲為代價，不過空間的浪費(fèi)比較小，默認(rèn)8:1的比例1是浪費(fèi)的。

復(fù)制也有一定的效率與空間成本

三、標(biāo)記整理算法(Mark-Compact)

回收前狀態(tài)：

回收后狀態(tài)：

優(yōu)缺點：

避免了，空間的浪費(fèi)，與內(nèi)存碎片問題。

缺點：整理時復(fù)制有效率成本。

五：垃圾收集器

一、七種垃圾收集器

(1) Serial（串行GC）-XX:+UseSerialGC

(2) ParNew（并行GC）-XX:+UseParNewGC

(3) Parallel Scavenge（并行回收GC）

(4) Serial Old（MSC）（串行GC）-XX:+UseSerialGC

(5) CMS（并發(fā)GC）-XX:+UseConcMarkSweepGC

(6) Parallel Old（并行GC）-XX:+UseParallelOldGC

(7) G1（JDK1.7update14才可以正式商用）

二.1~3用于年輕代垃圾回收：年輕代的垃圾回收稱為minor GC

三.4~6用于年老代垃圾回收（當(dāng)然也可以用于方法區(qū)的回收）：年老代的垃圾回收稱為full GC

G1獨立完成"分代垃圾回收"

注意：并行與并發(fā)

并行：多條垃圾回收線程同時操作

并發(fā)：垃圾回收線程與用戶線程一起操作

四、常用五種組合

Serial/Serial Old

ParNew/Serial Old：與上邊相比，只是比年輕代多了多線程垃圾回收而已

ParNew/CMS：當(dāng)下比較高效的組合

Parallel Scavenge/Parallel Old：自動管理的組合

G1：最先進(jìn)的收集器，但是需要JDK1.7update14以上

五. Serial/Serial Old

年輕代Serial收集器采用單個GC線程實現(xiàn)"復(fù)制"算法（包括掃描、復(fù)制）

年老代Serial Old收集器采用單個GC線程實現(xiàn)"標(biāo)記-整理"算法

Serial與Serial Old都會暫停所有用戶線程（即STW）

說明：

STW（stop the world）：編譯代碼時為每一個方法注入safepoint（方法中循環(huán)結(jié)束的點、方法執(zhí)行結(jié)束的點），在暫停應(yīng)用時，需要等待所有的用戶線程進(jìn)入safepoint，之后暫停所有線程，然后進(jìn)行垃圾回收。

適用場合：

CPU核數(shù)<2，物理內(nèi)存<2G的機(jī)器（簡單來講，單CPU，新生代空間較小且對STW時間要求不高的情況下使用）

-XX:UseSerialGC：強(qiáng)制使用該GC組合

-XX:PrintGCApplicationStoppedTime：查看STW時間

六.ParNew/Serial Old：

ParNew除了采用多GC線程來實現(xiàn)復(fù)制算法以外，其他都與Serial一樣，但是此組合中的Serial Old又是一個單GC線程，所以該組合是一個比較尷尬的組合，在單CPU情況下沒有Serial/Serial Old速度快（因為ParNew多線程需要切換），在多CPU情況下又沒有之后的三種組合快（因為Serial Old是單GC線程），所以使用其實不多。

-XX:ParallelGCThreads：指定ParNew GC線程的數(shù)量，默認(rèn)與CPU核數(shù)相同，該參數(shù)在于CMS GC組合時，也可能會用到

七.Parallel Scavenge/Parallel Old：

特點：

年輕代Parallel Scavenge收集器采用多個GC線程實現(xiàn)"復(fù)制"算法（包括掃描、復(fù)制）年老代Parallel Old收集器采用多個GC線程實現(xiàn)"標(biāo)記-整理"算ParallelScavenge與Parallel Old都會暫停所有用戶線程（即STW）

說明：

吞吐量：CPU運(yùn)行代碼時間/(CPU運(yùn)行代碼時間+GC時間)CMS主要注重STW的縮短（該時間越短，用戶體驗越好，所以主要用于處理很多的交互任務(wù)的情況）Parallel Scavenge/Parallel Old主要注重吞吐量（吞吐量越大，說明CPU利用率越高，所以主要用于處理很多的CPU計算任務(wù)而用戶交互任務(wù)較少的情況）

參數(shù)設(shè)置：

-XX:+UseParallelOldGC：使用該GC組合

-XX:GCTimeRatio：直接設(shè)置吞吐量大小，假設(shè)設(shè)為19，則允許的最大GC時間占總時間的1/(1+19)，默認(rèn)值為99，即1/(1+99)

-XX:MaxGCPauseMillis：最大GC停頓時間，該參數(shù)并非越小越好

-XX:+UseAdaptiveSizePolicy：開啟該參數(shù)，-Xmn/-XX:SurvivorRatio/-XX:PretenureSizeThreshold這些參數(shù)就不起作用了，虛擬機(jī)會自動收集監(jiān)控信息，動態(tài)調(diào)整這些參數(shù)以提供最合適的的停頓時間或者最大的吞吐量（GC自適應(yīng)調(diào)節(jié)策略），而我們需要設(shè)置的就是-Xmx，-XX:+UseParallelOldGC或-XX:GCTimeRatio兩個參數(shù)就好（當(dāng)然-Xms也指定上與-Xmx相同就好）

注意：

-XX:GCTimeRatio和-XX:MaxGCPauseMillis設(shè)置一個就好

不開啟-XX:+UseAdaptiveSizePolicy，-Xmn/-XX:SurvivorRatio/-XX:PretenureSizeThreshold這些參數(shù)依舊可以配置，以resin服務(wù)器為例

-Xms2048m -Xmx2048m -Xmn512m -Xss1m -XX:PermSize=256M -XX:MaxPermSize=256M -XX:SurvivorRatio=8 -XX:MaxTenuringThreshold=15 -XX:+UseParallelOldGC -XX:GCTimeRatio=19 -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps View Code

適用場合：

很多的CPU計算任務(wù)而用戶交互任務(wù)較少的情況不想自己去過多的關(guān)注GC參數(shù)，想讓虛擬機(jī)自己進(jìn)行調(diào)優(yōu)工作

八、調(diào)優(yōu)方法

8.1 新對象預(yù)留新生代

由于fullGC(老年代)的成本遠(yuǎn)比minorGC（新生代和老年代）的成本大，所以給應(yīng)用分配一個合理的新生代空間，盡量將對象分配到新生代減小fullGC的頻率

8.2 大對象進(jìn)入老年代

將大對象直接分配到老年代，保持新生代對象的結(jié)構(gòu)的完整性，以提高GC效率， 以通過-XX:PretenureSizeThreshold設(shè)置進(jìn)入老年代的閥值

8.3 穩(wěn)定與震蕩的堆大小

穩(wěn)定的對大小是對垃圾回收有利的，方法將-Xms和-Xmx的大小一致

8.4 吞吐量優(yōu)先

盡可能減少系統(tǒng)執(zhí)行垃圾回收的總時間，故采用并行垃圾回收器

-XX:+UseParallelGC或使用-XX:+UseParallelOldGC

8.5 降低停頓

使用CMS回收器,同時減少fullGC的次數(shù)

九、獲取gc信息的方法

9.1 -verbose:gc或者-XX:+PrintGC　　獲取gc信息

9.2 -XX:+PrintGCDetails　　獲取更加詳細(xì)的gc信息

9.3 -XX:+PrintGCTimeStamps　　獲取GC的頻率和間隔

9.4 -XX:+PrintHeapAtGC　　獲取堆的使用情況

9.5 -Xloggc:D:\gc.log　　指定日志情況的保存路徑

十、jvm調(diào)優(yōu)實戰(zhàn)-tomcat啟動加速

在tomcat的bin/catalina.bat文件的開頭添加相關(guān)的配置

六：監(jiān)控工具

監(jiān)控工具：一般問題定位，性能調(diào)優(yōu)都會使用到。

(一)、jps

Jps是參照Unix系統(tǒng)的取名規(guī)則命名的，而他的功能和ps的功能類似，可以列舉正在運(yùn)行的餓虛擬機(jī)進(jìn)程并顯示虛擬機(jī)執(zhí)行的主類以及這些進(jìn)程的唯一ID（ＬＶＭＩＤ，對應(yīng)本機(jī)來說和PID相同），他的用法如下：

Jps [option] [hostid]

jps -q 只輸出LVMID

jps -m 輸出JVM啟動時傳給主類的方法

jps -l 輸出主類的全名，如果是Jar則輸出jar的路徑

jps -v 輸出JVM的啟動參數(shù)

(二)、jstat

 jstat主要用于監(jiān)控虛擬機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)信息，如類的裝載、內(nèi)存、垃圾回收、JIT編譯器等，在沒有GUI的服務(wù)器上，這款工具是首選的一款監(jiān)控工具。其用法如下：

jstat [option vmid [interval [s|ms] [vount] ] ]

jstat 監(jiān)控內(nèi)容 線程好 刷新時間間隔 次數(shù)

jstat –gc 20445 1 20    :監(jiān)視Java堆，包含eden、2個survivor區(qū)、old區(qū)和永久帶區(qū)域的容量、已用空間、GC時間合計等信息

jstat –gcutil 20445 1 20:監(jiān)視內(nèi)容與-gc相同，但輸出主要關(guān)注已使用空間占總空間的百分比

jstat –class 20445 1 20:監(jiān)視類的裝載、卸載數(shù)量以及類的裝載總空間和耗費(fèi)時間等

.......-gccapcity......:監(jiān)視內(nèi)容與-gc相同，但輸出主要關(guān)注Java區(qū)域用到的最大和最小空間

.......-gccause........:與-gcutil輸出信息相同，額外輸出導(dǎo)致上次GC產(chǎn)生的原因

.......-gcnew..........:監(jiān)控新生代的GC情況

.......-gcnewcapacity..:與-gcnew監(jiān)控信息相同，輸出主要關(guān)注使用到的最大和最小空間

.......-gcold..........:監(jiān)控老生代的GC情況

.......-gcoldcapacity..:與-gcold監(jiān)控信息相同，輸出主要關(guān)注使用到的最大和最小空間

.......-gcpermcapacity.:輸出永久帶用到的最大和最小空間

.......-compiler.......:輸出JIT編譯器編譯過的方法、耗時信息

.......-printcompilation:輸出已經(jīng)被JIT編譯的方法

(三)、jinfo

jinfo的作用是實時查看虛擬機(jī)的各項參數(shù)信息jps –v可以查看虛擬機(jī)在啟動時被顯式指定的參數(shù)信息，但是如果你想知道默認(rèn)的一些參數(shù)信息呢？除了去查詢對應(yīng)的資料以外，jinfo就顯得很重要了。jinfo的用法如下：

Jinfo [option] pid

(四)、jmap

map用于生成堆快照（heapdump）。當(dāng)然我們有很多方法可以取到對應(yīng)的dump信息，如我們通過JVM啟動時加入啟動參數(shù) –XX:HeapDumpOnOutOfMemoryError參數(shù)，可以讓JVM在出現(xiàn)內(nèi)存溢出錯誤的時候自動生成dump文件，亦可以通過-XX:HeapDumpOnCtrlBreak參數(shù)，在運(yùn)行時使用ctrl+break按鍵生成dump文件，當(dāng)然我們也可以使用kill -3 pid的方式去恐嚇JVM生成dump文件。Jmap的作用不僅僅是為了獲取dump文件，還可以用于查詢finalize執(zhí)行隊列、Java堆和永久帶的詳細(xì)信息，如空間使用率、垃圾回收器等。其運(yùn)行格式如下：

Jmap [option] vmip

監(jiān)控堆棧信息主要用來定位問題的原因，生成堆?？煺?/p>

.......-dump......:生成對應(yīng)的dump信息，用法為-dump:[live,]format=b,file={fileName}

.......-finalizerinfo......:顯示在F-Queue中等待的Finalizer方法的對象（只在linux下生效）

.......-heap......：顯示堆的詳細(xì)信息、垃圾回收器信息、參數(shù)配置、分代詳情等

.......-histo......：顯示堆棧中的對象的統(tǒng)計信息，包含類、實例數(shù)量和合計容量

.......-permstat......：以ClassLoder為統(tǒng)計口徑顯示永久帶的內(nèi)存狀態(tài)

.......-F......：虛擬機(jī)對-dump無響應(yīng)時可使用這個選項強(qiáng)制生成dump快照

例子：jmap -dump:format=b,file=yhj.dump 20445

(五)、jstack

Jstack用于JVM當(dāng)前時刻的線程快照，又稱threaddump文件，它是JVM當(dāng)前每一條線程正在執(zhí)行的堆棧信息的集合。生成線程快照的主要目的是為了定位線程出現(xiàn)長時間停頓的原因，如線程死鎖、死循環(huán)、請求外部時長過長導(dǎo)致線程停頓的原因。通過jstack我們就可以知道哪些進(jìn)程在后臺做些什么？在等待什么資源等！其運(yùn)行格式如下：

Jstack [option] vmid

-F 當(dāng)正常輸出的請求不響應(yīng)時強(qiáng)制輸出線程堆棧

-l 除堆棧信息外，顯示關(guān)于鎖的附加信息

-m 顯示native方法的堆棧信息

(六)、jconsole

在JDK的bin目錄下,監(jiān)控內(nèi)存,thread,堆棧等

(七)、jprofile

類似于jconsole,比jconsole監(jiān)控信息更全面，內(nèi)存，線程，包,cup 類，堆棧，等等

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