Java虚拟机

一 JVM优化

了解什么是JVM，以及JVM的作用、结构、算法、启动流程、配置参数、监控命令和工具等。
如果你目前对Java一无所知，请先进行Java基础入门，从Java基础环境安装开始。
针对Java虚拟机的实现有专门的《Java虚拟机规范》，在这一规范下有多种不同的虚拟机实现。
Java SE默认使用的是HotSpot版本的虚拟机。所以通常情况下，我们所讲的java虚拟机指的是HotSpot的版本。
本文讲解内容基于版本：Java8。

二 什么是JVM

JVM是Java Virtual Machine的缩写，即Java虚拟机。
Java虚拟机只要有两方面作用：

1. Java语言是平台无关的语言，即一次编译就可以在不同的平台上运行。这主要是靠Java虚拟机的配合。在不同系统中需要安装对应系统的Java虚拟机，而编译后的Java代码是运行在Java虚拟机上的。所以，Java虚拟机帮助Java程序隔离了系统的差异。
2. Java语言与C语言、C++相比复杂性和开发难度大大降低，这主要归功于Java的内存托管机制，即我们在编写程序时无需过多考虑内存的分配与释放，Java虚拟机会帮助我们完成内存的管理。
   本文主要针对Java虚拟机的内存管理机制做讲解。

三 JVM结构

线程私有内存：橘色块为线程私有内存。

• 程序计数器：用于保存当前线程执行的现场（指令偏移量、行号等）。用于在多线程情况下，线程切换的状态保存与恢复。
• 虚拟机栈：当前线程执行的方法栈。每次出入一个方法都会对应一次栈操作。主要结构如下：
  
• 本地方法栈：与虚拟机栈相似，只不过本地方法栈主要为native方法服务（C、C++实现的方法）。

线程共享内存：

• Java堆：存放Java对象实例，存放字符串常量。这里是GC的主要区域。
  

• 元空间：类元信息（klass）、字段、静态属性、方法、常量，还有运行时常量池等。
  

线程共享内存存放的数据可以通过ThreadLocal转换为线程私有。

四 内存分配

了解垃圾回收之前，先要了解JVM怎么分配内存，然后识别哪些内存是垃圾，需要回收。最后才是用什么方式回收。

1 JVM向系统申请内存

Java与C、C++不同，C、C++每次申请内存都要调用malloc进行系统调用，这需要一定的开销。Java虚拟机是一次性申请一块较大的空间，除非需要进行内存扩展，否则都是在这一块内存中由虚拟机进行分配和释放。

这样减少了系统调用次数，节省了一定的开销，我们可以把这一块内存称作内存池。

但缺点也是显而易见的，Java进程不论实际用到了多少内存都要先占用一块较大的内存空间（这也是Java通常被诟病的地方），而且还要为虚拟机的内存管理单独制定算法。

2 JVM内部内存分配

• 静态内存：在编译时就能确定的内存是静态内存，比如局部的基本类型变量和类引用等，这类内存的长度往往是固定。Java栈、本地方法栈、程序计数器，这些都是长度固定而且是线程私有，当线程销毁时内存自然就跟着回收了。
• 动态内存：在程序执行时才会知道要分配多少内存，比如我们在程序执行时才会知道对象是否会被真正的创建，而且每个对象占用的空间会有所不同。经过一次分配与回收之后，内存会存在很多碎片。这就导致我们需要一个相对复杂的策略来分配和回收这部分内存，不断地消除内存的碎片化。

五 垃圾检测与回收算法

垃圾回收器要完成两件事：检测出垃圾、回收垃圾。

1 检测垃圾算法

垃圾检测法有引用计数法和可达性算法。我们这里只讲解Java虚拟机采用的可达性算法。

可达性算法：以根集对象为起点进行搜索，如果有对象不可达，即为垃圾对象。
根集对象包括：

• 虚拟机栈中引⽤的对象
• 本地⽅法栈中Native⽅法引⽤的对象
• ⽅法区中类静态属性引⽤的对象
• ⽅法区中常量引⽤的对象
• 所有被同步锁synchronized持有的对象
• Java虚拟机内部的引⽤，Class对象、异常、类加载器等。
• 反映java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等。

2 回收算法

• 标记-清除算法：分为两个阶段，标记阶段和清除阶段。标记阶段的任务是标记出所有需要被回收的对象，然后统一回收。这是最基础的算法，后续收集算法都是基于这个算法扩展的。不足：效率低，清除后会产生大量碎片。
  
• 复制：把空间划分成两个区域，每次只是用其中一个区域。垃圾回收时遍历当前正在使用的区域，把正在使用的对象复制到另外一个空白区域。该方法能够避免碎片问题。不足：需要额外的内存空间。
  
• 标记-整理：先做标记，然后把标记后的对象向一端移动，然后直接清理掉边界意外的内存空间。不足：移动对象成本高。
  
• 分代收集算法：这是当前商业虚拟机常用的垃圾回收算法。分代回收策略是基于这样一个事实：不同对象的生命周期是不一样的。因此不同生命周期的对象可以采取不同的回收方式。可提高效率。Yung区采用复制算法，old区采用标记-整理算法。
  

六 JVM常用参数

1 JVM堆参数

• -Xms和-Xmx：用于设置堆内存的大小。
• -XX:NewSize和-XX:MaxNewSize：用于设置年轻代的大小，建议设为整个堆大小的1/3或者1/4,两个值设为一样大。
• -XX:SurvivorRatio：它定义了新生代中Eden区域和Survivor区域（From幸存区或To幸存区）的比例，默认为8，也就是说Eden占新生代的8/10，From幸存区或To幸存区各占新生代的1/10。
• -XX:NewRatio：新生代和老年代的比例，比如：4表示 新生代：老年代=1：4 -verbose:gc 或者 -XX:+PrintGC。

2 元数据区

• -XX:MetaspaceSize：达到该值就会触发垃圾收集进行类型卸载，同时GC会对该值进行调整：如果释放了大量的空间，就适当降低该值；如果释放了很少的空间，那么在不超过MaxMetaspaceSize时，适当提高该值。
• -XX:MaxMetaspaceSize：最大空间，默认是没有限制的。
• -XX:MinMetaspaceFreeRatio：最小空闲比，当 Metaspace 发生 GC 后，会计算 Metaspace 的空闲比，如果空闲比(空闲空间/当前 Metaspace 大小)小于此值，就会触发 Metaspace 扩容。默认值是 40 ，也就是 40%，例如 -XX:MinMetaspaceFreeRatio=40。
• -XX:MaxMetaspaceFreeRatio:最大空闲比，当 Metaspace 发生 GC 后，会计算 Metaspace 的空闲比，如果空闲比(空闲空间/当前 Metaspace 大小)大于此值，就会触发 Metaspace 释放空间。默认值是 70 ，也就是 70%，例如 -XX:MaxMetaspaceFreeRatio=70。

3 栈参数

• -Xss：栈空间大小，栈是线程独占的，所以是一个线程使用栈空间的大小，例如 -Xss256K，如果不设置此参数，默认值是 1M，一般来讲设置成 256K 就足够了。

4 GC日志

• -verbose:gc或-XX:+PrintGC：简单日志。
• -XX:+PrintGCDetails：详细日志。
• -XX:+PrintGCDateStamps：打印 GC 的时间点。
• -XX:+PrintHeapAtGC：GC 前后的堆信息
• -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime：GC 导致的 Stop the world 时间
• -Xloggc:/jvmlog/gc.log：日志输出到文件
• -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：发生heap或meta溢出时生成dump
• -XX:HeapDumpPath=/jvmlog：dump目录

5 垃圾回收器

GC主要分二类，新生代GC，老年代GC；
新生代GC包括：串行GC、并行GC、并行回收GC；
老年代GC包括：串行GC、并行GC、CMS；
G1比较特殊，同时支持新生代和老年代。

• -XX:+UseConcMarkSweepGC加上-XX:+UseParNewGC：暂停时间优先: 并行GC + CMS
• -XX:+UseParallelOldGC：吞吐量优先: 并行回收GC + 并行GC
• -XX:+UseParallelGC：Parallel Scavenge + Serial Old，JDK 8 server 模式下的默认设置

七 JVM性能监控工具

1 Linux监控

• uptime：系统时间、运行时间、终端数、平均负载。
• top：同uptime，外加cpu内存等信息。
• vmstat：一般vmstat工具的使用是通过两个数字参数来完成的，第一个参数是采样的时间间隔数，单位是秒，第二个参数是采样的次数，打印进程、cpu、内存、swap、io等信息。
• pidstat：细致观察进程和线程。

2 Java监控

• jps：列出java进程类似ps命令。
• jinfo：可查看Java程序的扩展参数，甚至可以在运行时修改部分参数。
• jhat：查看dump文件
• jstack：打印线程、栈信息
• jmap：生成Java应用堆快照和对象统计信息。
• jstat:JVM统计监测。

例子：

jmap -histo <pid> # 打印对象统计信息
1

例子：

jmap -dump:format=b,file=<file-path> <pid> # 打印对象统计信息
1

例子：
可配合watch命令一起使用

watch jmap -heap <pid> # 打印堆信息
1

结果：

Attaching to process ID 25419, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 25.131-b11

using thread-local object allocation.
Parallel GC with 4 thread(s)
堆配置
Heap Configuration:
   MinHeapFreeRatio         = 0
   MaxHeapFreeRatio         = 100
   MaxHeapSize              = 2051014656 (1956.0MB)
   NewSize                  = 42991616 (41.0MB)
   MaxNewSize               = 683671552 (652.0MB)
   OldSize                  = 87031808 (83.0MB)
   NewRatio                 = 2
   SurvivorRatio            = 8
   MetaspaceSize            = 21807104 (20.796875MB)
   CompressedClassSpaceSize = 1073741824 (1024.0MB)
   MaxMetaspaceSize         = 17592186044415 MB
   G1HeapRegionSize         = 0 (0.0MB)
堆内存使用情况
Heap Usage:
PS Young Generation
Eden Space:
   capacity = 341835776 (326.0MB)
   used     = 326467304 (311.3434829711914MB)
   free     = 15368472 (14.656517028808594MB)
   95.50413588073356% used
From Space:
   capacity = 48234496 (46.0MB)
   used     = 14614528 (13.9375MB)
   free     = 33619968 (32.0625MB)
   30.29891304347826% used
To Space:
   capacity = 45613056 (43.5MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 45613056 (43.5MB)
   0.0% used
PS Old Generation
   capacity = 181403648 (173.0MB)
   used     = 116113280 (110.7342529296875MB)
   free     = 65290368 (62.2657470703125MB)
   64.00823868768063% used

17633 interned Strings occupying 1610056 bytes.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46

例子：

jstat -gc <pid> 250 4
1

结果：

S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       MC     MU    CCSC   CCSU   YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT
44544.0 47104.0  0.0   14272.0 333824.0 324577.7  177152.0   113391.9  51160.0 48283.5 6656.0 6139.5     13    0.543   3      0.901    1.444
44544.0 47104.0  0.0   14272.0 333824.0 324577.7  177152.0   113391.9  51160.0 48283.5 6656.0 6139.5     13    0.543   3      0.901    1.444
44544.0 47104.0  0.0   14272.0 333824.0 324577.7  177152.0   113391.9  51160.0 48283.5 6656.0 6139.5     13    0.543   3      0.901    1.444
44544.0 47104.0  0.0   14272.0 333824.0 324577.7  177152.0   113391.9  51160.0 48283.5 6656.0 6139.5     13    0.543   3      0.901    1.444
1
2
3
4
5

字段描述：

• S0C S1C S0U S1U：Survivor 0/1 容量和使用情况
• EC EU：Eden区容量和使用情况
• OC OU：老年代容量和使用情况
• MC MU：永久代容量和使用情况
• CCSC CCSU：当前压缩类空间容量和使用情况
• YGC YGCT：年轻代GC次数和耗时
• FGC FGCT：Full GC次数和耗时
• GCT：GC总耗时