JVM基礎知識和調優基礎原理
JVM原理
什麼是jvm
java虛擬機器，就是個應用程式，工作在使用者態
詳解
JVM是按照執行時資料的儲存結構來劃分記憶體結構的，JVM在執行java程式時，將它們劃分成幾種不同格式的資料，分別儲存在不同的區域，這些資料統一稱為執行時資料。執行時資料包括java程式本身的資料資訊和JVM執行java需要的額外資料資訊。
JVM執行時資料區
- 程式計數器–執行緒私有
行號，指示程式執行到哪個位置
- Java虛擬機器棧–執行緒私有
- 本地方法棧–執行緒私有
作業系統底層的方法
- Java堆–執行緒公用
JVM記憶體分配
棧記憶體分配 -xss 預設1M
儲存引數、區域性變數、中間計算過程和其他資料。退出方法的時候，修改棧頂指標就可以把棧幀中的內容銷燬。
- 棧的優點：存取速度比堆塊，僅次於暫存器，棧資料可以共享。
- 棧的缺點：存在棧中的資料大小、生存期是在編譯時就確定的，導致其缺乏靈活性。
stack out of memory
一般情況下不會溢位，方法不會寫那麼大堆記憶體分配：
儲存物件 - 堆的優點：動態分配記憶體大小，生存期不必事先告訴編譯器，它是在執行期動態分配的，垃圾回收器會自動收走不再使用的空間區域。
- 堆的缺點：執行時動態分配記憶體，在分配和銷燬時都要佔用時間，因此堆的效率較低。
堆結構：
- Young：E區，S0，S1
- Old：
- Permanent：
JVM堆配置引數：
概述
- -Xms 初始堆大小
預設實體記憶體的1/64（<1GB）
- -Xmx最大堆大小
預設實體記憶體的1/4（<1GB），實際中建議不大於4GB
- 一般建議設定 -Xms=-Xmx
好處是避免每次在gc後，調整堆的大小，減少系統記憶體分配開銷
- 整個堆大小=年輕代大小+年老代大小+持久代大小
新生代：
- 新生代=1個eden區+2個survivor區
- -Xmn 年輕代大小（1.4 or later）
-XX:NewSize，-XX:MaxNewSize（設定年輕代大小，1.4之前）
- -XX:NewRatio
年輕代（包括E區和兩個S區）與年老代的比值（除去持久代）
一般情況下設定了Xms=Xmx並且設定了Xmn的情況下，該引數不需要設定。 - -XX:ServivorRatio
1個S區與E區大小的比值，預設設定為8，則1個S區佔整個年輕代的1/10
- 新生代用來存放JVM剛分配的Java物件
老年代：
- 老年代=整個堆-年輕代大小-持久代大小
- 年輕代中經過垃圾回收沒有回收掉的物件被複制到年老代
- 老年代儲存物件比年輕代年齡大的多，而且不乏大物件（快取）
- 新建的物件也有可能直接進入老年代
- 大物件，可通過啟動引數設定-XX:PretnureSizeThreshold=1024（單位為位元組，預設為0）來代表超過多大時就不在新生代分配，而是直接在老年代分配。
- 大的陣列物件，切陣列中無引用外部物件
- 老年代大小無配置引數
持久代：
- 持久代=整個堆-年輕代大小-老年代大小
- -XX:PermSize -XX:MaxPermSize
設定持久代的大小，一般情況推薦把-XX:PermSize設定成-XX:MaxPermSize的值為相同的值，因為持久代大小的調整也會導致堆記憶體需要觸發fgc。
- 存放Class、Method元資訊，其大小與專案的規模、類、方法的數量有關。一般設定為128M就足夠，設定原則是預留30%的空間。
- 持久代的回收方式
- 常量池中的常量，無用的類資訊，常量的回收很簡單，沒有引用了就可以被回收
- 對於無用的類進行回收，必須保證3點：
- 類的所有例項都已經被回收
- 載入類的ClassLoader已經被回收
- 類物件Class物件沒有被引用（即沒有通過反射引用該類的地方）
JVM記憶體垃圾回收：
垃圾收集演算法：
- 引用計數演算法（瀕臨被拋棄
- 根搜尋演算法：
從GC Roots開始向下搜尋，搜尋所走過的路徑稱為引用鏈。當一個物件到GC Roots沒有任何引用鏈相連時，則證明物件是不可用的。即不可達物件。
在Java語言中，GC Roots包括： - 虛擬機器棧中引用的物件。（大部分被回收的）
- 方法區中靜態屬性實體引用的物件。
- 方法區中常量引用的物件。
- 本地方法棧中JNI引用的物件。
垃圾回收演算法：
複製演算法（Copying）
當空間存活的物件比較少時，極為高效，此演算法用於新生代記憶體回收，從E區回收到S0或S1
標記清除演算法（Mark-Sweep）
產生碎片，適合老年代垃圾回收。
標記整理壓縮演算法（Mark-Compac）
稍慢，適合老年代垃圾回收，解決碎片問題，物件連續，成本更高
名詞解釋：
- 序列回收：gc單執行緒記憶體回收、會暫停所有使用者執行緒，用於client端
- 並行回收：收集是指多個GC執行緒並行工作，但此時使用者執行緒是暫停的
- 併發回收：是指使用者執行緒與GC執行緒同時執行（不一定是並行，可能交替，但總體上是同時執行的），不需要停頓使用者執行緒（其實CMS中使用者執行緒還是需要停頓的，只是非常短，GC執行緒在另一個CPU上執行）
JVM常見的垃圾回收器：
Serial回收器（序列回收器）
是一個單執行緒的收集器，只能使用一個CPU或者一條執行緒去完成垃圾收集，在進行垃圾收集時，必須暫停所有其他工作執行緒，直到收集完成
- -XX:+UseSerialGC來開啟（新生代和老年代都開啟）
- 使用複製演算法（新生代）標記-壓縮演算法（老年代）
- 序列的、獨佔式的垃圾回收器
- 缺點：Stop-The-World
ParNew回收器（並行回收器）
也是獨佔式回收器，在收集過程中，應用程式全部暫停。如果是單CPU上或者併發能力較弱的系統上，還不如序列回收器效能好。
- -XX:+UseParNewGC開啟
- -XX:ParallelGCThreads指定執行緒數，預設最好與CPU數量相當
新生代Parallel Scavenge回收器
吞吐量優先回收器
- 關注CPU吞吐量，即執行使用者程式碼的時間/總時間，適合執行後臺運算
- -XX:+UserParallelGC開啟，這也是在Server模式下的預設值
- -XX:GCTimeRatio
- -XX:MaxGCPauseMillis
老年代ParallelOld回收器
- -XX:+UseParallelOldGC開啟
CMS（併發標記清除）回收器
用的最廣泛，標記和重新標記兩個階段仍然需要停止使用者執行緒，但時間很快
初始標記
併發標記
重新標記
併發清除
- 標記-清除演算法：同時它又是一個使用多執行緒併發回收的垃圾收集器
- -XX:ParallelCMSThreads：手工設定CMS執行緒數量，CMS預設啟動的執行緒數是（ParallelGCThreads+3）/4
- -XX:+UseConcMarkSweepGC開啟
- -XX:CMSInitialtingOccupancyFraction
設定CMS收集器在老年代空間被使用多少後觸發垃圾收集，預設值為68%，僅在CMS收集器時有效，-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70- -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
由於CMS收集器會產生碎片，此引數設定在垃圾收集器後是否需要一次記憶體碎片整理過程，僅在CMS收集器時有效。- -XX:+CMSFullGCBeforeCompaction
設定CMS收集器在進行若干次垃圾收集後再進行一次記憶體碎片整理過程，通常與UseCMSCompactAtFullCollection引數一起使用- -XX:CMSInitiatingPermOccupancyFraction
設定持久代
GC效能指標
吞吐量
應用花在非GC上的時間百分比
GC負荷
花在GC時間百分比
暫停時間（看GClog）
應用劃在GC stop-the-world的時間
GC頻率
反應速度
從一個物件變成垃圾到這個物件被回收的時間
小結
- 一個互動式的應用要求暫停時間越少越好，然而，一個非互動式的應用，希望GC負荷越低越好
- 一個實時系統對暫停時間和GC負荷要求，都是越低越好
記憶體容量配置原則
年輕代大小選擇
- 響應時間優先的應用
儘可能設大，直到接近系統的最低響應時間限制（根據實際情況選擇），在此情況下，年輕代收集發生的頻率也是最小的，同時減少到達老年代的物件
- 吞吐量優先的應用
儘可能設定大，可能到達Gbit的程度，因為對響應時間沒有要求，垃圾收集可以並行進行，一般適合8CPU以上的應用
避免設定過小，當新生代設定過小時會導致 - YGC次數更加頻繁
- 可能導致YGC物件直接進入老年代，如果此時老年代滿了，會觸發FGC
老年代大小選擇
- 響應時間優先的應用
使用併發垃圾收集器（CMS）設定小了會造成記憶體碎片，高回收頻率以及應用暫停而使用傳統的標記清除方式，如果堆大了，需要較長的收集時間，最優化的方案，一般參考以下資料獲得：
併發垃圾收集資訊、持久代併發收集次數、傳統GC資訊、花在年輕代和年老代回收上的時間比例 - 吞吐量優先的應用
一般吞吐量優先的應用都有一個很大的年輕代和一個較小的年老代。原因是，這樣可以儘可能回收掉大部分短期物件，減少中期的物件，而年老代儘量存放長期存活物件。
java排障
使用jps獲取java程序的pid
1
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# jps -lvm
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匯出CPU佔用高程序的執行緒棧
1
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jstack `$pid` >> java.txt
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檢視對應程序的哪個執行緒佔用CPU過高
1
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# top -H -p 22056
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將執行緒的pid轉換為16進位制
1
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# echo "obase=16;`$pid`"|bc
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