JAVA应用性能监控之JVM层GC调优

1. JVM 内存结构

1.1 运行时数据区

运行时数据区是规范，内存结构是具体实现。

官方运行时数据区定义

• 程序计数器 PC Register：JVM 支持多线程同时执行，每一个线程都有自己的 PC Register，线程正在执行的方法叫做当前方法，如果是 java 代码，PC Register 里面存放的就是房钱正在执行的指令的地址，如果你是 C 代码，则为空。
• Java 虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口灯信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
• Java 堆（Java Heap）是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。Java 堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。
• 方法区（Method Area）：方法区域 java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常亮、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然 Java 虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的是与 Java 堆区分开来。
• 运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class 文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的常量池中存放。
• 本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所放回的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行的 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。

1.2 JVM 的内存结构

CCS：压缩类空间，这个空间只有当启用了压缩类短指针时候，这个空间才会存在，在堆中分配的每一个对象，都有一个指向自己的 Class 的一个指针，64 位的虚拟机指针的长度是 64 位，如果考虑性能的原因，我们可以把这个指针采用短指针方式引用，采用 32 位指针，所引用的 class 文件都存储在压缩类空间。如果不启用短指针，那么压缩类空间就不存在。CodeCache：存放的是 JIT 编译后的源代码，还有 JVM 执行的 JNI Native 代码。如果没有启用 JIT 即时编译，或者没有引用 JNI 方法，这块空间不存在。Metaspace = Class、Package、Method、Method、Field、字节码、常量池、符号引用等等。CCS：32 位指针的 Class。CodeCache：JIT 编译后的本地代码、JNI 使用的 C 代码。

实例：
启用压缩类空间：

jstat -gc 13144

禁用压缩类空间：

jstat -gc 13523

codecache 也是一样操作。
-xint

常用参数：

• -Xms-Xmx
• -XX:NewSize -XX:MaxNewSize
• -XX:NewRatio -XX:SurvivorRatio
• -XX:MetaspaceSize -XX:MaxMetaspaceSize
• -XX:+UseCompressedClassPointers
• -XX:CompressedClassSpaceSize
• -XX:InitialCodeCacheSize
• -XX:ReservedCodeCacheSize

2. 垃圾回收算法

C++ 和 Java 中内存泄露区别：在 C ++ 中 New 了一个对象，但是将该对象的指针丢失了，这就导致这个对象占用的内存永远得不到释放，就造成了内存泄露。在 JAVA 中 New 一个对象后，这个对象的指针一直被应用程序所持有，这样垃圾回收就不能将其释放，这样就导致内存泄露。

2.1 如何确定垃圾

思想：枚举根节点，做可达性分析
根节点：类加载器、Thread、虚拟机栈的本地变量表、static 成员、常亮引用、本地方法栈的变量等等。

2.2 各类算法

标记清除：算法分为“标记”和“清除”两个阶段，首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有。缺点是效率不高，标记和清除两个过程的效率都不高；产生碎片，碎片太多会导致提前 GC。复制算法：它将可用内存按照容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。优缺点是实现简单，运行高效，但是空间利用率低。标记整理算法：标记过程仍然与“标记 - 清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。优缺点是没有了内存碎片，但是整理内存比较耗时。分代垃圾回收：Young 区采用复制算法，Old 区采用标记清除或者标记整理算法。

对象分配：

• 对象优先分配在 Eden 区。
• 大对象直接进入老年代：-XX:PretenureSizeThreshold，该参数规定多大的对象会直接分配在老年代。
• 长期存活对象进入老年代：
  -XX:MaxTenuringThreshold 晋升阈值
  -XX:+PrintTenuringDistribution 发生 Young GC 时候，打印存活对象的年龄的分布情况
  -XX:TargetSurivorRatio 设置 Surivor 区，Young 区垃圾回收后存活对象的比例，假设该值设置为 80%，意味着发生一次 Young GC，Surivor 区存活对象为 80%，这时候需要计算这些 80% 存活对象的平均年龄，用平均年龄和晋升阈值之间取一个最小值，如果有对象年龄大于该最小值，也会将该对象晋升到老年代。

3. 垃圾收集器

3.1 三种类型垃圾收集器

• 串行收集器 Serial：Serial、Serial Old。单线程，适用于内存小的嵌入式设备。
• 并行收集器 Parallel：Paralel Scavenge、Parallel Old，吞吐量优先。
• 并发收集器 Concurrent：CMS、G1，停顿时间优先。

3.2 并行 VS 并发

• 并行是指多条垃圾收紧线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态。适合科学计算、后台处理等弱交互场景。
• 并发指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会交替执行），垃圾收集线程在执行的时候不会停顿用户程序的运行。适合对响应时间有要求的场景，比如 Web。

3.3 停顿时间 VS 吞吐量

• 停顿时间：垃圾收集器做垃圾回收中断应用执行的时间，-XX:MaxGCPauseMillis
• 吞吐量：花在垃圾收集的时间和花在应用时间的占比。-XXGCTimeRatio=<n>，来及收集时间占：1/1+n。

3.4 如何评价一个垃圾回收器的好坏

最理想的情况下，吞吐量最大的时候，停顿时间最小。现实中，这两个指标是互斥的，GC 调优时候，很大部分工作就是如何权衡这两个变量。

3.5 三种类型垃圾收集器开启与停用

串行收集器：

  -XX:+UseSerialGC -XX:+UseSerialOldGC

并行收集器：

 吞吐量优先，-XX:+UseParallelGC  -XX:+UseParallelOldGC
 Server 模式下的默认收集器，JVM 会根据当前系统内存情况决定启用 Server 模式还是 Client 模式，内存大于 2G，JVM 就会认为是 Server 模式。jinfo -flag UseParallelGC 21669

并发收集器：

 在 Java8 中，有两个并发垃圾收集器，一个是 CMS，一个是 G1。响应时间优先。CMS: XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:UseParNewGC
 G1: -XX:UseG1GC

3.6 垃圾收集器搭配

• 有连线的是可以相互搭配使用。
• JDK8 推荐使用 G1，性能比较好，在 Yong 区和 Old 区都可以使用。
• 虚线表示 CMS 可能退化成 SerialOld，空间担保分配失败。

如何选择垃圾收集器？官方指导垃圾收集器选取方法

• 优先调整堆的大小，让 JVM 自己来选择；
• 如果内存小于 100M，使用串行收集器；
• 如果是单核，并没有停顿时间的要求，串行或 JVM 自己选；
• 如果允许停顿时间超过 1 秒，选择并行或 JVM 自己选；
• 如果响应时间非常重要，并且不能超过 1 秒，使用并发收集器；

3.7 两种常用垃圾收集器

3.7.1 Parallel Collector

工作原理：当发现内存不够时，暂停应用程序，启动多个垃圾回收线程来回收垃圾，垃圾回收结束后，重新启动应用程序。
-XX:+UseParallelGC 手动开启，server 模式默认开启；
-XX:ParallelGCThreads=<n> 开启多少个 GC 线程；

  CPU > 8，N=5/8；CPU < 8，N=CPU；

并行收集器的自适应特性（Parallel Collector Ergonomics），会自动调整堆得大小，来自适应调整满足我们设定的指标：

• -XX:MaxGCPauseMills=<n> 最大停顿时间；
• -XX:GCTimeRatio=<n> 吞吐量；
• -Xmx<n> 堆的大小；
  优先满足停顿时间要求，然后满足吞吐量要求，如果两个都满足的话，它会减小堆得大小，来满足停顿时间的要求，直到这三个条件中有一个是满足不了的。自适应其实不是最优的，因为它需要动态调整堆得大小来满足这些条件。
  动态内存调整
  并行收集器在自适应的时候会动态调整内存；
• -XX:YongGenerationSizeIncrement=<Y> Yong 区动态调整每次增加的大小，默认 20%；
• -XX:TenuredGenerationSizeIncrement=<T> Old 区动态调整每次增加的大小，默认 20%；
• -XX:AdaptiveSizeDecrementScaleFactor=<D> 动态减小时每次减小的大小，默认 4%；
  在生产环境下很少使用自适应功能，主要通过手动调整。

3.7.2 CMS Collector

并发收集
低停顿，低延迟
老年代收集器

（1）CMS 垃圾收集过程