Java JVM调优秘籍：让垃圾回收不再是“垃圾”！

原创

疯狂的KK

发布于 2024-03-11 11:22:42

1930

发布于 2024-03-11 11:22:42

文章被收录于专栏：Java项目实战Java项目实战

全套面试题已打包2024最全大厂面试题无需C币点我下载或者在网页打开

Java中的JVM调优：性能提升的不二法门

在Java的世界里，JVM（Java虚拟机）是每个开发者的幕后英雄。它不仅负责运行Java程序，还默默地处理内存管理、垃圾回收等核心任务。但是，你知道吗？通过精心调优JVM，我们可以让它的性能发挥到极致，让应用程序运行得更加流畅和高效。本文将带你深入了解JVM调优的奥秘，让你的Java应用飞起来！

常用JVM命令：掌握调优的钥匙

在开始之前，我们需要熟悉一些常用的JVM命令，这些命令可以帮助我们监控和调整JVM的行为。以下是一些基本的JVM启动参数：

-Xms<size>：设置JVM启动时的初始堆大小。
-Xmx<size>：设置JVM可以使用的最大堆大小。
-Xmn<size>：设置年轻代的大小。
-XX:NewRatio=<ratio>：设置年轻代和老年代的比例。
-XX:SurvivorRatio=<ratio>：设置Eden区和两个Survivor区的比例。
-XX:MaxPermSize：设置永久代的最大大小（在Java 8中被元空间取代）。
-XX:+PrintGCDetails：打印GC日志的详细信息。

垃圾回收（GC）：JVM的清洁工

垃圾回收是JVM自动管理内存的关键机制。它负责回收不再使用的对象，释放内存。但是，GC的效率直接影响到应用的性能。了解和优化GC策略，可以让应用运行得更加稳定和高效。

GC日志分析：洞察JVM的心脏

要优化GC，首先要学会阅读GC日志。以下是一个GC日志的示例：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 9216K-> 1024K(22208K)] 9216K-> 1024K(131072K), 0.0365787 secs]
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 1024K-> 1024K(22208K), ParOldGen: 0K-> 0K(98304K)] 1024K-> 1024K(120320K), 0.0953787 secs]

这个日志告诉我们，发生了一次年轻代GC和一次Full GC。年轻代GC是因为内存分配失败，而Full GC是因为JVM的“Ergonomics”策略触发的。

GC策略选择：找到最适合你的那一款

JVM提供了多种GC策略，包括Parallel GC、CMS GC、G1 GC等。每种策略都有其特点和适用场景。例如，Parallel GC适合CPU资源充足的环境，CMS GC适合延迟敏感的应用，而G1 GC则提供了更好的整体性能和可控的停顿时间。

代码Demo：实战中的JVM调优

下面是一个简单的Java程序，我们将通过调整JVM参数来观察其性能变化。

public class MemoryTest {
    public static void main(String[] args) {
        byte[] array = new byte[1024 * 1024 * 100]; // 分配100MB内存
        System.out.println("Memory allocated.");
    }
}

在运行这个程序之前，我们可以尝试不同的JVM参数组合，比如：

-Xms128m -Xmx256m -Xmn64m -XX:NewRatio=2 -XX:SurvivorRatio=8
-Xms128m -Xmx256m -XX:+UseG1GC

运行程序并观察GC日志，比较不同参数下的性能表现。

G1 GC（Garbage-First Garbage Collector）和CMS GC（Concurrent Mark Sweep Garbage Collector）都是Java虚拟机中的垃圾回收器，它们各自有不同的性能特点和适用场景。

G1 GC的性能特点：

并行与并发：G1可以在多个GC线程上并行工作，同时与应用程序线程并发执行，减少了停顿时间（Stop-The-World, STW）。
分代收集：G1仍然区分年轻代和老年代，但它不再要求整个年轻代或老年代是连续的内存空间。
空间整合：G1使用标记-压缩算法，避免了内存碎片，有利于长时间运行的程序。
可预测的停顿时间模型：G1能够建立一个可预测的停顿时间模型，允许用户指定在一个时间片段内，GC所占用的时间不超过设定的阈值。
高吞吐量：G1在追求低停顿时间的同时，尽可能保证高吞吐量。

CMS GC的性能特点：

低停顿时间：CMS的主要目标是减少GC的停顿时间，它通过并发标记和清理来实现这一点。
并发执行：CMS的大部分工作（标记和清理）都是与应用程序线程并发执行的，减少了对应用程序的干扰。
内存碎片：CMS使用的是标记-清除算法，可能会导致内存碎片，这在长时间运行的应用程序中可能会成为问题。
Full GC问题：CMS在某些情况下可能会遇到并发模式失败（Concurrent Mode Failure），这时会触发Full GC，导致较长时间的停顿。

适用场景：

G1 GC：适用于需要可预测停顿时间和高吞吐量的大内存应用。它特别适合于多核处理器和大堆内存（6GB以上）的环境。G1在Java 9中被设置为默认的垃圾回收器。
CMS GC：适用于对延迟敏感的应用，尤其是那些不希望GC导致长时间停顿的应用。CMS在小堆内存（6GB以下）的环境中表现较好，但在大堆内存中可能会遇到性能瓶颈。

在选择GC策略时，开发者需要根据应用的具体需求和运行环境来决定使用哪种垃圾回收器。例如，对于需要快速响应的在线服务，可能会优先选择G1 GC；而对于内存使用较为稳定，对延迟要求不是特别严格的后台处理任务，CMS GC可能是一个合适的选择。

G1 GC（Garbage-First Garbage Collector）和CMS GC（Concurrent Mark Sweep Garbage Collector）在处理大对象时采取了不同的策略。

G1 GC处理大对象的策略：

大对象直接分配到老年代：在G1中，大对象（Humongous Objects，H-objs）是指那些大小超过一个Region一半的对象。这类对象会直接分配到老年代区域，以避免在年轻代中频繁复制和移动。
跨区域分配：对于需要多个Region的大对象，G1会跨多个连续的Region进行分配。
并发标记和清理：G1在并发标记阶段会处理大对象，这一阶段与应用程序线程并发执行，减少了停顿时间。
避免内存碎片：G1的设计目标之一是避免内存碎片，因此即使是大对象，也不会导致内存碎片问题。
可配置的Region大小：G1允许通过-XX:G1HeapRegionSize参数配置Region的大小，这有助于减少大对象分配对GC的影响。

CMS GC处理大对象的策略：

大对象直接分配到老年代：与G1类似，CMS也会将大对象直接分配到老年代。
标记-清除算法：CMS使用标记-清除算法进行垃圾回收，这可能导致内存碎片。大对象的存在可能会加剧碎片化问题。
并发标记：CMS的并发标记阶段同样会处理大对象，但与G1不同的是，CMS的并发标记阶段不会对大对象进行移动或清理，只是标记存活的对象。
Full GC时处理：在CMS中，大对象通常在Full GC阶段被清理。由于Full GC会导致较长时间的停顿，这可能会对应用程序性能产生影响。
内存碎片问题：由于CMS使用的是标记-清除算法，大对象的分配和回收可能会导致内存碎片，这在长时间运行的应用程序中可能会成为问题。

总结来说，G1 GC在处理大对象时更加高效和灵活，能够更好地避免内存碎片，并且通过并发标记和清理减少了停顿时间。而CMS GC在处理大对象时可能会遇到内存碎片问题，并且在Full GC阶段可能会导致较长的停顿时间。在实际应用中，开发者需要根据应用的具体需求和运行环境来选择合适的垃圾回收器。

在Java中，使用G1 GC（Garbage-First Garbage Collector）时，可以通过调整一系列JVM参数来优化其性能。以下是一些关键的参数，它们可以帮助你控制G1 GC的行为，以适应不同的应用场景和性能需求：

-XX:+UseG1GC：启用G1垃圾回收器。这是使用G1 GC的前提条件。
-XX:MaxGCPauseMillis：设置G1 GC的目标停顿时间（以毫秒为单位）。G1 GC会尝试在不超过这个时间的情况下完成垃圾回收。这个参数对于需要低延迟的应用非常重要。
-XX:G1HeapRegionSize：设置G1 GC中堆区域（Region）的大小。这个参数影响G1 GC的并行度和内存布局。通常，这个值应该设置为堆大小的1/2000到1/4000。
-XX:G1NewSizePercent 和 -XX:G1MaxNewSizePercent：分别设置年轻代的最小和最大比例。这些参数影响年轻代的大小，从而影响GC的频率和停顿时间。
-XX:G1ReservePercent：设置保留的堆内存百分比，以防止晋升失败。这个参数确保在老年代有足够的空间来接收从年轻代晋升的对象。
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent：设置触发并发标记周期的堆占用率阈值。这个参数决定了何时开始全局并发标记。
-XX:MaxMetaspaceSize：设置元空间（Metaspace）的最大大小。这个参数对于避免元空间溢出非常重要。
-XX:+UseStringDeduplication：启用字符串去重功能，这有助于减少内存占用，特别是在有大量重复字符串的场景中。
-XX:+PrintGCDetails 和 -XX:+PrintGCDateStamps：打印详细的GC日志，包括GC的时间戳。这对于分析和调试GC行为非常有用。
-XX:+PrintTenuringDistribution：打印对象晋升到老年代的分布情况，有助于理解对象的生命周期。
-XX:+G1PrintHeapRegions：打印G1 GC收集的区域信息，有助于了解G1 GC的内存布局。
-XX:+UseNUMA：启用非统一内存访问（NUMA）优化，这在多处理器系统中可以提高性能。
-XX:+G1SummarizeConcMark：在GC日志中总结并发标记周期的信息。
-XX:+G1HeapWastePercent：设置在Full GC之前允许的最大堆浪费百分比。
-XX:+G1MixedGCLiveThresholdPercent：设置Mixed GC中老年代存活对象的阈值百分比。

这些参数可以根据你的应用特性和性能需求进行调整。在调整参数时，建议进行充分的测试，以确保新的配置能够满足你的性能目标。此外，监控GC日志和应用性能指标也是优化过程中的重要步骤。

在使用G1 GC时，监控和诊断性能瓶颈是一个关键的任务，因为G1 GC的设计目标是在保证吞吐量的同时，尽可能减少停顿时间。以下是一些监控和诊断G1 GC性能瓶颈的方法和步骤：

启用GC日志：
- 使用 -XX:+PrintGCDetails 和 -XX:+PrintGCDateStamps 参数来打印详细的GC日志，包括GC类型、开始和结束时间、耗时等信息。
- 使用 -Xloggc:<path> 参数来指定GC日志的输出路径，确保日志可以被方便地查看和分析。
分析GC日志：
- 查看GC日志中的停顿时间（GC pause time），特别是混合GC（Mixed GC）的停顿时间，因为这是影响应用响应时间的关键因素。
- 分析GC日志中的GC类型，区分年轻代GC（Young GC）和老年代GC（Old GC）或混合GC（Mixed GC）。
监控GC指标：
- 使用JVM监控工具（如VisualVM、JConsole等）来实时监控GC活动，包括GC次数、GC耗时、堆内存使用情况等。
- 使用操作系统级别的监控工具（如top、htop等）来监控CPU和内存使用情况，以排除非GC相关的问题。
诊断性能瓶颈：
- 如果发现GC停顿时间过长，可能需要调整G1 GC的参数，如 -XX:MaxGCPauseMillis（目标停顿时间）和 -XX:G1HeapRegionSize（堆区域大小）。
- 如果GC次数频繁，可能需要增加堆内存大小或优化应用程序的内存使用，减少对象的创建和回收。
使用诊断工具：
- 使用JVM诊断工具（如jstack、jmap、jhat等）来分析堆转储（heap dump）和线程转储（thread dump）。
- 使用MAT（Memory Analyzer Tool）或其他堆分析工具来分析堆转储，找出内存泄漏和大对象。
调整G1 GC参数：
- 根据监控和分析的结果，调整G1 GC的参数，如 -XX:ParallelGCThreads（并行GC线程数）、-XX:ConcGCThreads（并发GC线程数）等。
- 使用 -XX:+G1PrintHeapRegions 参数来打印G1 GC收集的区域信息，帮助理解G1 GC的内存布局。
持续优化：
- 监控和诊断是一个持续的过程，需要定期检查GC日志和性能指标，确保G1 GC配置与应用程序的需求相匹配。
- 在进行参数调整后，要观察GC行为的变化，确保调整带来了预期的性能提升。

通过上述步骤，可以帮助你更好地监控和诊断G1 GC的性能瓶颈，从而优化Java应用程序的性能。在进行调优时，建议在开发或测试环境中先行验证，确保调优措施的有效性，再应用到生产环境中。

G1 GC（Garbage-First Garbage Collector）的并发周期是G1 GC的一个关键特性，它允许GC在大部分时间内与应用线程并发执行，从而减少停顿时间。并发周期主要包括以下几个阶段：

初始标记（Initial Mark）：
- 在这个阶段，G1 GC会快速识别出哪些区域（Region）包含大量存活的对象。这个过程是并发的，不会暂停应用线程。
- 初始标记阶段会设置两个阈值（TAMS，Top-At-Mark-Start），用于区分在并发标记阶段开始之前和之后分配的对象。
并发标记（Concurrent Mark）：
- 在并发标记阶段，G1 GC会遍历堆中的所有对象，标记存活的对象。这个过程是与应用线程并发执行的，不会暂停应用线程。
- 并发标记阶段会使用一种称为SATB（Snapshot-At-The-Beginning）的算法来处理在标记过程中新分配的对象。
最终标记（Final Mark）：
- 这个阶段是对并发标记阶段的补充，处理在并发标记阶段未能处理的存活对象。
- 最终标记阶段可能会暂停应用线程（Stop-The-World，STW），但通常这个停顿时间很短。
清理（Cleanup）：
- 在清理阶段，G1 GC会计算哪些区域是完全空的，哪些区域包含存活对象，并为下一次回收做准备。
- 清理阶段同样可能会有短暂的STW。
回收（Young GC / Mixed GC）：
- 在并发周期结束后，G1 GC会根据需要执行年轻代GC（Young GC）或混合GC（Mixed GC），回收年轻代和部分老年代的内存。

如何监控G1 GC的并发周期：

启用GC日志：
- 使用 -XX:+PrintGCDetails 和 -XX:+PrintGCDateStamps 参数来打印详细的GC日志，包括并发周期的各个阶段。
使用JVM监控工具：
- 使用JVM监控工具（如VisualVM、JConsole等）来实时监控GC活动，包括并发周期的进度。
分析GC日志：
- 分析GC日志中的并发周期信息，了解每个阶段的耗时和效率。
- 注意并发周期中的STW时间，以及并发标记阶段的效率。
调整GC参数：
- 根据监控结果调整G1 GC的参数，如 -XX:MaxGCPauseMillis（目标停顿时间）、-XX:G1ConcMarkThresholdPercent（并发标记阈值百分比）等，以优化并发周期的性能。
使用诊断工具：
- 使用JVM诊断工具（如jstat、jcmd等）来获取G1 GC的实时统计信息。
持续监控：
- 并发周期的性能可能会随着应用负载的变化而变化，因此需要持续监控并根据实际情况进行调整。