JVM技术总结之一——JVM调优

一. JVM 调优

1.1 JVM 调优如何使用

笔者首先会使用到的工具：

• java 自带工具：JVisualVM 用于监控，jstack 查看线程状态，jmap 用于堆 dump；
• Memory Analyser：载入堆 dump 文件，进行分析。
• 在项目启动的时候，加入 -XX:+PrintGCDetails 参数，可以观察 GC 的频率。观察 GC 频率可以判断 GC 频率是否正常（主要是针对 Full GC）。如果不正常，就可以观察 GC 日志，并且针对 GC 的频率进行原因的猜测。
• 如果有堆 Dump 文件，则可以观察内存中占据最大空间的对象是什么，如果有特定的某些对象占据了太大的对象，则需要重新考虑是否有可以优化的空间？（比如 C3P0 连接池资源过大，太多的 HashMap 节点占据过大内存等）

1.2 GC 回收算法

1. 标记-清除算法：对需要回收的对象进行标记，然后清除；
2. 复制算法：将内存区域分为两部分 A, B 区域，发生 GC 时，将 B 区域的所有内容复制到 A 区域，然后清除 B 区域所有内容。发生第二次 GC 时反过来。
   • 适用于朝生夕死对象较多的情况下；
   • 在实际使用时 (如 Parallel Scavange 收集器)，多数情况下只在两块小区域中进行复制操作，这两块小区域通常是在新生代中。新生代分为三部分：Eden + Survivor * 2 (To Survivor, From Survivor)，三者比例通常为 8:1:1。通常如果发生 minor GC 时，将 Eden + Survivor1 的存活的对象全部拷贝到 Survivor2 中，然后将 Eden 和 Survivor1 的全部对象清除。
3. 标记-整理算法：将需要回收的对象进行标记并清除，然后内存碰撞，所有对象的内存移到一端。
4. 分代回收算法：垃圾收集器大多都是只针对新生代或者老年代，所以商用的垃圾收集器一般都会分别针对新生代与老年代，用不同的分代回收算法进行垃圾回收。

1.3 GC 回收策略

有几种不同的垃圾收集器，不同收集器各自有各自的收集对象以及收集策略；

1.3.1 Serial

Serial + Serial Old 收集器：两者都是串行收集器；Serial 收集器用于新生代的 Minor GC，单线程的 STW GC；Serial Old 收集器用于旧生代，单线程的 STW Full GC；

1.3.2 ParNew

ParNew 收集器是Serial 收集器的多线程版本，用于新生代的 GC，通常与 CMS 收集器搭配使用。

1.3.3 Parallel Scavenge + Parallel Old

Parallel Scavenge + Parallel Old 收集器，两者都是并行收集器，且都是强调 GC 时间的垃圾收集器。可以通过设置垃圾收集的比率 (程序时间 / (程序时间 + GC 时间))，或者 GC 最大时间，来保障 GC 时间不会过长。但这样也牺牲了新生代空间大小，以及吞吐量大小。

• Parallel Scavenge: 针对新生代，使用复制算法。
• Parallel Old: 针对旧生代，使用标记-整理算法。

1.3.4 CMS 收集器

参考地址：《GC之详解CMS收集过程和日志分析》

CMS (Concurrent Mark Sweep) 收集器用于旧生代，它的设计目的是为了减少回收时间。为了实现这一目的，首先 CMS 用了列表数据结构，用来管理回收可利用空间；另外 GC 线程与用户线程并行处理（即 GC 过程中也会同时执行服务逻辑）。CMS 收集器使用标记-清除算法，步骤如下：

1. 初始标记 (Initial Mark)：
   • 第一次 Stop the world，用来标记 GC Roots 直接关联的对象，以及新生代中存活对象的引用对象；
2. 并发标记 (Concurrent Mark)：
   • 标记 GC Roots 链上的所有对象，GC 线程与应用线程并行执行；
   • 该过程不会 Stop the world，但时间最长；
3. 重新标记 (Final Remark)：
   • 第二次 Stop the world，标记在并发标记过程中产生的对象，时间不长；
   • 过程中包含两次并发预清理 (Concurrent Preclean)；
4. 并发清除 (Concurrent Sweep)：
   • 对所有被标记的对象进行并行的回收（使用标记-清除算法）；
5. 并发重置线程 (Concurrent Reset)：
   • 并发的重置 CMS 算法内部的数据结构，准备下一个 CMS 生命周期的使用；

CMS 收集器虽然使用了标记-清除算法，可能会出现大量的内存碎片，但可以通过设置虚拟机参数，使得在 Full GC 之后执行空间压缩合并，清理内存碎片。

1.3.5 G1 收集器

G1 收集器是一种新式的收集器，对旧生代、新生代没有明确的区分对待，因为它将堆内存划分为若干个 Region，旧生代和新生代与之前的定义不同，物理上不再隔离。标记清除的步骤和 CMS 收集器相似。

1.4 GC 分配内存策略

1. 给对象分配内存时，首先优先分配到 Eden 区；随着 GC 次数的增加，Eden + Survivor1/2 的内存会用 minor GC 的复制算法将内存转移到 Survivor2/1 中，这样的操作会让对象的 GC 年龄 +1；
2. 对于比较大的对象 (比如较长的 String 或者数组)，可能会直接进入旧生代。在虚拟机参数中可以设置该参数 -XX:PertenureSize，大于该值的对象便直接进入旧生代。
3. 对于年龄比较大的对象，即经过了多次 minor GC 的对象，会进入旧生代。虚拟机参数 -XX:MaxTenuringThreshold 设置该值，默认值为 1；
4. 并非所有对象年龄都必须达到 MaxTenuringThreshold 值才会晋升老年代，虚拟机会针对根据对象年龄，以及对象的大小，动态的判定是否可以直接进入老年代。Survivor 空间中相同年龄所有对象的大小之和大于 Survivor 空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入旧生代；
5. 分配担保策略：在进行 Minor GC 之前，判断旧生代可用空间是否大于新生代中所有对象大小之和；如果是，则这次 Minor GC 是安全的；如果不是，则需要根据虚拟机参数 HandlePromotionFailure 值，判断是否允许担保失败。如果该值为是，判断老年代可用空间是否大于一个经验值，如果大于，则尝试一次 MinorGC，如果小于，则进行 Full GC。

注：GC 机制见《JVM技术总结之二——GC机制》。