Java記憶體與記憶體回收調優

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要瞭解Java垃圾收集機制，先理解JVM記憶體模式是非常重要的。今天我們將會瞭解JVM記憶體的各個部分、如何監控以及垃圾收集調優。

Java（JVM）記憶體模型

正如你從上面的圖片看到的，JVM記憶體被分成多個獨立的部分。廣泛地說，JVM堆記憶體被分為兩部分——年輕代**（Young Generation）和老年代（Old Generation）**。

年輕代

年輕代是所有新對象產生的地方。當年輕代記憶體空間被用完時，就會觸發記憶體回收。這個記憶體回收叫做Minor GC。年輕代被分為3個部分——Enden區和兩個Survivor區。

 

年輕代空間的要點：

• 大多數建立的對象都位於Eden區。

• 當Eden區被對象填滿時，就會執行Minor GC。並把所有存活下來的對象轉移到其中一個survivor區。

• Minor GC同樣會檢查存活下來的對象，並把它們轉移到另一個survivor區。這樣在一段時間內，總會有一個空的survivor區。

• 經過多次GC周期後，仍然存活下來的對象會被轉移到年老代記憶體空間。通常這是在年輕代有資格提升到年老代前通過設定年齡閾值來完成的。

年老代

年老代記憶體裡包含了長期存活的對象和經過多次Minor GC後依然存活下來的對象。通常會在老年代記憶體被佔滿時進行記憶體回收。老年代的垃圾收集叫做Major GC。Major GC會花費更多的時間。

Stop the World事件

所有的垃圾收集都是“Stop the World”事件，因為所有的應用線程都會停下來直到操作完成（所以叫“Stop the World”）。

因為年輕代裡的對象都是一些臨時（short-lived ）對象，執行Minor GC非常快，所以應用不會受到（“Stop the World”）影響。

由於Major GC會檢查所有存活的對象，因此會花費更長的時間。應該盡量減少Major GC。因為Major GC會在記憶體回收期間讓你的應用反應遲鈍，所以如果你有一個需要快速響應的應用發生多次Major GC，你會看到逾時錯誤。

記憶體回收時間取決於記憶體回收策略。這就是為什麼有必要去監控垃圾收集和對垃圾收集進行調優。從而避免要求快速響應的應用出現逾時錯誤。

永久代

永久代或者“Perm Gen”包含了JVM需要的應用中繼資料，這些中繼資料描述了在應用裡使用的類和方法。注意，永久代不是Java堆記憶體的一部分。

永久代存放JVM運行時使用的類。永久代同樣包含了Java SE庫的類和方法。永久代的對象在full GC時進行垃圾收集。

方法區

方法區是永久代空間的一部分，並用來儲存類型資訊（運行時常量和靜態變數）和方法代碼和建構函式代碼。

記憶體池

如果JVM實現支援，JVM記憶體管理會為建立記憶體池，用來為不變對象建立對象池。字串池就是記憶體池類型的一個很好的例子。記憶體池可以屬於堆或者永久代，這取決於JVM記憶體管理的實現。

運行時常量池

運行時常量池是每個類常量池的運行時代表。它包含了類的運行時常量和靜態方法。運行時常量池是方法區的一部分。

Java棧記憶體

Java棧記憶體用於運行線程。它們包含了方法裡的臨時資料、堆裡其它對象引用的特定資料。你可以閱讀棧記憶體和堆記憶體的區別。

Java 堆記憶體開關

Java提供了大量的記憶體開關（參數），我們可以用它來設定記憶體大小和它們的比例。下面是一些常用的開關：

大多數時候，上面的選項已經足夠使用了。但是如果你還想瞭解其他的選項，那麼請查看JVM選項官方網頁。

Java記憶體回收

Java記憶體回收會找出沒用的對象，把它從記憶體中移除並釋放出記憶體給以後建立的對象使用。Java程式語言中的一個最大優點是自動記憶體回收，不像其他的程式語言那樣需要手動分配和釋放記憶體，比如C語言。

垃圾收集器是一個後台運行程式。它管理著記憶體中的所有對象並找出沒被引用的對象。所有的這些未引用的對象都會被刪除，回收它們的空間並分配給其他對象。

一個基本的記憶體回收過程涉及三個步驟：

1. 標記：這是第一步。在這一步，垃圾收集器會找出哪些對象正在使用和哪些對象不在使用。

2. 正常清除：垃圾收集器清會除不在使用的對象，回收它們的空間分配給其他對象。

3. 壓縮清除：為了提升效能，壓縮清除會在刪除沒用的對象後，把所有存活的對象移到一起。這樣可以提高分配新對象的效率。

簡單標記和清除方法存在兩個問題：

1. 效率很低。因為大多數建立對象都會成為“沒用對象”。

2. 經過多次記憶體回收周期的對象很有可能在以後的周期也會存活下來。

上面簡單清除方法的問題在於Java垃圾收集的分代回收的，而且在堆記憶體裡有年輕代和年老代兩個地區。我已經在上面解釋了Minor GC和Major GC是怎樣掃描對象，以及如何把對象從一個分代空間移到另外一個分代空間。

Java記憶體回收類型

這裡有五種可以在應用裡使用的記憶體回收類型。僅需要使用JVM開關就可以在我們的應用裡啟用記憶體回收策略。讓我們一起來逐一瞭解：

1. Serial GC（-XX:+UseSerialGC）：Serial GC使用簡單的標記、清除、壓縮方法對年輕代和年老代進行記憶體回收，即Minor GC和Major GC。Serial GC在client模式（用戶端模式）很有用，比如在簡單的獨立應用和CPU配置較低的機器。這個模式對佔有記憶體較少的應用很管用。

2. Parallel GC（-XX:+UseParallelGC）：除了會產生N個線程來進行年輕代的垃圾收集外，Parallel GC和Serial GC幾乎一樣。這裡的N是系統CPU的核心數。我們可以使用 -XX:ParallelGCThreads=n 這個JVM選項來控制線程數量。並行垃圾收集器也叫throughput收集器。因為它使用了多CPU加快記憶體回收效能。Parallel GC在進行年老代垃圾收集時使用單線程。

3. Parallel Old GC（-XX:+UseParallelOldGC）：和Parallel GC一樣。不同之處，Parallel Old GC在年輕代垃圾收集和年老代記憶體回收時都使用多線程收集。

4. 並發標記清除（CMS）收集器（-XX:+UseConcMarkSweepGC)：CMS收集器也被稱為短暫停頓並發收集器。它是對年老代進行垃圾收集的。CMS收集器通過多線程並發進行記憶體回收，盡量減少垃圾收集造成的停頓。CMS收集器對年輕代進行記憶體回收使用的演算法和Parallel收集器一樣。這個垃圾收集器適用於不能忍受長時間停頓要求快速響應的應用。可使用 -XX:ParallelCMSThreads=n JVM選項來限制CMS收集器的線程數量。

5. G1垃圾收集器（-XX:+UseG1GC) G1（Garbage First）：垃圾收集器是在Java 7後才可以使用的特性，它的長遠目標時代替CMS收集器。G1收集器是一個並行的、並發的和增量式壓縮短暫停頓的垃圾收集器。G1收集器和其他的收集器運行方式不一樣，不區分年輕代和年老代空間。它把堆空間劃分為多個大小相等的地區。當進行垃圾收集時，它會優先收集存活對象較少的地區，因此叫“Garbage First”。你可以在Oracle Garbage-FIrst收集器文檔找到更多詳細資料。

Java垃圾收集監控

我們可以使用命令列和圖形工具來監控監控應用記憶體回收。例如，我使用Java SE下載頁中的一個demo來實驗。

如果你想使用同樣的應用，可以到Java SE下載頁面下載JDK 7和JavaFX示範和樣本。我使用的樣本應用是Java2Demo.jar，它位於 jdk1.7.0_55/demo/jfc/Java2D 目錄下。這隻是一個可選步驟，你可以運行GC監控命令監控任何Java應用。

我開啟示範應用使用的命令是：

1. [email protected]:~/Downloads/jdk1.7.0_55/demo/jfc/Java2D$ java -Xmx120m -Xms30m -Xmn10m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseSerialGC -jar Java2Demo.jar

jsat

可以使用jstat命令列工具監控JVM記憶體和記憶體回收。標準的JDK已經附帶了jstat，所以不需要做任何額外的事情就可以得到它。

要運行jstat你需要知道應用的進程id，你可以使用 ps -eaf | grep java 命令擷取進程id。

[email protected]:~$ ps -eaf | grep Java2Demo.jar 
2.501 9582 11579 0 9:48PM ttys000 0:21.66 /usr/bin/java -Xmx120m -Xms30m -Xmn10m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseG1GC -jar Java2Demo.jar 
3.501 14073 14045 0 9:48PM ttys002 0:00.00 grep Java2Demo.jar

從上面知道，我的Java應用進程id是9582。現在可以運行jstat命令了，就像下面展示的一樣：

1. [email protected]:~$ jstat -gc 9582 1000 2. S0C S1C S0U S1U EC EU OC OU PC PU YGC YGCT FGC FGCT GCT 3. 1024.0 1024.0 0.0 0.0 8192.0 7933.3 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 157 0.274 40 1.381 1.654 4. 1024.0 1024.0 0.0 0.0 8192.0 8026.5 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 157 0.274 40 1.381 1.654 5. 1024.0 1024.0 0.0 0.0 8192.0 8030.0 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 157 0.274 40 1.381 1.654 6. 1024.0 1024.0 0.0 0.0 8192.0 8122.2 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 157 0.274 40 1.381 1.654 7. 1024.0 1024.0 0.0 0.0 8192.0 8171.2 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 157 0.274 40 1.381 1.654 8. 1024.0 1024.0 48.7 0.0 8192.0 106.7 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 158 0.275 40 1.381 1.656 9. 1024.0 1024.0 48.7 0.0 8192.0 145.8 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 158 0.275 40 1.381 1.656

jstat命令的最後一個參數是每個輸出的時間間隔。每隔一秒就會列印出記憶體和垃圾收集資料。
讓我們一起來對每一列的意義進行逐一瞭解：

• S0C和S1C：這一列展示了Survivor0和Survivor1區的當前大小（單位KB）。

• S0U和S1U：這一列展示了當前Survivor0和Survivor1區的使用方式（單位KB）。注意：無論任何時候，總會有一個Survivor區是空著的。

• EC和EU：這些列展示了Eden區當前空間大小和使用方式（單位KB）。注意：EU的大小一直在增大。而且只要大小接近EC時，就會觸發Minor GC並且EU將會減小。

• OC和OU：這些列展示了年老代當前空間大小和當前使用方式（單位KB）。

• PC和PU：這些列展示了Perm Gen（永久代）當前空間大小和當前使用方式（單位KB）。

• YGC和YGCT：YGC這列顯示了發生在年輕代的GC事件的數量。YGCT這列顯示了在年輕代進行GC操作的累計時間。注意：在EU的值由於minor GC導致下降時，同一行的YGC和YGCT都會增加。

• FGC和FGCT：FGC列顯示了發生Full GC事件的次數。FGCT顯示了進行Full GC操作的累計時間。注意：相對於年輕代的GC使用時間，Full GC所用的時間長很多。

• GCT：這一列顯示了GC操作的總累計時間。注意：總累計時間是YGCT和FGCT兩列所用時間的總和（GCT=YGCT+FGCT）。

jstat的優點，我們同樣可以在沒有GUI的遠程伺服器上運行jstat。注意：我們是通過 -Xmn10m 選項來指定S0C、S1C和EC的總和為10m的。

Java VisualVM及Visual GC外掛程式

如果你想在GUI裡查看記憶體和GC，那麼可以使用jvisualvm工具。Java VisualVM同樣是JDK的一部分，所以你不需要單獨去下載。

在終端運行jvisualvm命令啟動Java VisualVM程式。一旦啟動程式，你需要從Tools->Plugins選項安裝Visual GC外掛程式，就像下面圖片展示的。

安裝完Visual GC外掛程式後，從左側邊欄開啟應用並把視角轉到Visual GC部分。你將會得到關於JVM記憶體和垃圾收集詳情，如所示。

Java記憶體回收調優

Java記憶體回收調優應該是提升應用輸送量的最後一個選擇。在你發現應用由於長時間記憶體回收導致了應用效能下降、出現逾時的時候，應該考慮Java垃圾收集調優。

如果你在日誌裡看到

java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space錯誤，那麼可以嘗試使用 -XX:PermGen 和 -XX:MaxPermGen JVM選項去監控並增加Perm Gen記憶體空間。你也可以嘗試使用

-XX:+CMSClassUnloadingEnabled並查看使用CMS垃圾收集器的執行效能。

如果你看到了大量的Full GC操作，那麼你應該嘗試增大老年代的記憶體空間。

全面垃圾收集調優要花費大量的努力和時間，這裡沒有一塵不變的硬性調優規則。你需要去嘗試不同的選項並且對這些選項進行對比，從而找出最適合自己應用的方案。

這就是所有的Java記憶體模型和記憶體回收內容。希望對你理解JVM記憶體和垃圾收集過程有所協助。

Java記憶體與記憶體回收調優