JVM（Java虛擬機器）最佳化大全和案例實戰

文章目錄

• 年輕代
• 年老代
• 持久代

堆記憶體設定原理JVM堆記憶體分為2塊：Permanent Space 和 Heap Space。

• Permanent 即 持久代（Permanent Generation），主要存放的是Java類定義資訊，與垃圾收集器要收集的Java對象關係不大。
• Heap = { Old + NEW = {Eden, from, to} }，Old 即 年老代（Old Generation），New 即 年輕代（Young Generation）。年老代和年輕代的劃分對垃圾收集影響比較大。

年輕代

所有新產生的對象首先都是放在年輕代。年輕代的目標就是儘可能快速的收集掉那些生命週期短的對象。年輕代一般分3個區，1個Eden區，2個Survivor區（from 和 to）。

大部分對象在Eden區中產生。當Eden區滿時，還存活的對象將被複製到Survivor區（兩個中的一個），當一個Survivor區滿時，此區的存活對象將被複製到另外一個Survivor區，當另一個Survivor區也滿了的時候，從前一個Survivor區複製過來的並且此時還存活的對象，將可能被複製到年老代。

2個Survivor區是對稱的，沒有先後關係，所以同一個Survivor區中可能同時存在從Eden區複製過來對象，和從另一個Survivor區複製過來的對象；而複製到年老區的只有從另一個Survivor區過來的對象。而且，因為需要交換的原因，Survivor區至少有一個是空的。特殊的情況下，根據程式需要，Survivor區是可以配置為多個的（多於2個），這樣可以增加對象在年輕代中的存在時間，減少被放到年老代的可能。

針對年輕代的記憶體回收即 Young GC。

年老代

在年輕代中經曆了N次（可配置）記憶體回收後仍然存活的對象，就會被複製到年老代中。因此，可以認為年老代中存放的都是一些生命週期較長的對象。

針對年老代的記憶體回收即 Full GC。

持久代

用於存放靜態類型資料，如 Java Class, Method 等。持久代對記憶體回收沒有顯著影響。但是有些應用可能動態產生或調用一些Class，例如 Hibernate CGLib 等，在這種時候往往需要設定一個比較大的持久代空間來存放這些運行過程中動態增加的類型。

所以，當一組對象產生時，記憶體申請過程如下：

1. JVM會試圖為相關Java對象在年輕代的Eden區中初始化一塊記憶體地區。
2. 當Eden區空間足夠時，記憶體申請結束。否則執行下一步。
3. JVM試圖釋放在Eden區中所有不活躍的對象（Young GC）。釋放後若Eden空間仍然不足以放入新對象，JVM則試圖將部分Eden區中活躍對象放入Survivor區。
4. Survivor區被用來作為Eden區及年老代的中間交換地區。當年老代空間足夠時，Survivor區中存活了一定次數的對象會被移到年老代。
5. 當年老代空間不夠時，JVM會在年老代進行完全的記憶體回收（Full GC）。
6. Full GC後，若Survivor區及年老代仍然無法存放從Eden區複製過來的對象，則會導致JVM無法在Eden區為新產生的對象申請記憶體，即出現“Out of Memory”。

OOM（“Out of Memory”）異常一般主要有如下2種原因：

1. 年老代溢出，表現為：java.lang.OutOfMemoryError:Javaheapspace這是最常見的情況，產生的原因可能是：設定的記憶體參數Xmx過小或程式的記憶體泄露及使用不當問題。例如迴圈上萬次的字串處理、建立上千萬個對象、在一段代碼內申請上百M甚至上G的記憶體。還有的時候雖然不會報記憶體溢出，卻會使系統不間斷的記憶體回收，也無法處理其它請求。這種情況下除了檢查程式、列印堆記憶體等方法排查，還可以藉助一些記憶體分析工具，比如MAT就很不錯。2. 持久代溢出，表現為：java.lang.OutOfMemoryError:PermGenspace通常由於持久代設定過小，動態載入了大量Java類而導致溢出，解決辦法唯有將參數 -XX:MaxPermSize 調大（一般256m能滿足絕大多數應用程式需求）。將部分Java類放到容器共用區（例如Tomcat share lib）去載入的辦法也是一個思路，但前提是容器裡部署了多個應用，且這些應用有大量的共用類庫。參數說明

• -Xmx3550m：設定JVM最大堆記憶體為3550M。
• -Xms3550m：設定JVM初始堆記憶體為3550M。此值可以設定與-Xmx相同，以避免每次記憶體回收完成後JVM重新分配記憶體。
• -Xss128k：設定每個線程的棧大小。JDK5.0以後每個線程棧大小為1M，之前每個線程棧大小為256K。應當根據應用的線程所需記憶體大小進行調整。在相同實體記憶體下，減小這個值能產生更多的線程。但是作業系統對一個進程內的線程數還是有限制的，不能無限產生，經驗值在3000~5000左右。需要注意的是：當這個值被設定的較大（例如>2MB）時將會在很大程度上降低系統的效能。
• -Xmn2g：設定年輕代大小為2G。在整個堆記憶體大小確定的情況下，增大年輕代將會減小年老代，反之亦然。此值關係到JVM記憶體回收，對系統效能影響較大，官方推薦配置為整個堆大小的3/8。
• -XX:NewSize=1024m：設定年輕代初始值為1024M。
• -XX:MaxNewSize=1024m：設定年輕代最大值為1024M。
• -XX:PermSize=256m：設定持久代初始值為256M。
• -XX:MaxPermSize=256m：設定持久代最大值為256M。
• -XX:NewRatio=4：設定年輕代（包括1個Eden和2個Survivor區）與年老代的比值。表示年輕代比年老代為1:4。
• -XX:SurvivorRatio=4：設定年輕代中Eden區與Survivor區的比值。表示2個Survivor區（JVM堆記憶體年輕代中預設有2個大小相等的Survivor區）與1個Eden區的比值為2:4，即1個Survivor區占整個年輕代大小的1/6。
• -XX:MaxTenuringThreshold=7：表示一個對象如果在Survivor區（救助空間）移動了7次還沒有被記憶體回收就進入年老代。如果設定為0的話，則年輕代對象不經過Survivor區，直接進入年老代，對於需要大量常駐記憶體的應用，這樣做可以提高效率。如果將此值設定為一個較大值，則年輕代對象會在Survivor區進行多次複製，這樣可以增加對象在年輕代存活時間，增加對象在年輕代被記憶體回收的機率，減少Full GC的頻率，這樣做可以在某種程度上提高服務穩定性。

疑問解答

-Xmn，-XX:NewSize/-XX:MaxNewSize，-XX:NewRatio 3組參數都可以影響年輕代的大小，混合使用的情況下，優先順序是什嗎？
如下：

1. 高優先順序：-XX:NewSize/-XX:MaxNewSize 
2. 中優先順序：-Xmn（預設等效  -Xmn=-XX:NewSize=-XX:MaxNewSize=?） 
3. 低優先順序：-XX:NewRatio 

推薦使用-Xmn參數，原因是這個參數簡潔，相當於一次設定 NewSize/MaxNewSIze，而且兩者相等，適用於生產環境。-Xmn 配合 -Xms/-Xmx，即可將堆記憶體布局完成。

-Xmn參數是在JDK 1.4 開始支援。記憶體回收行程選擇

JVM給出了3種選擇：串列收集器、並行收集器、並發收集器。串列收集器只適用於小資料量的情況，所以生產環境的選擇主要是並行收集器和並發收集器。

預設情況下JDK5.0以前都是使用串列收集器，如果想使用其他收集器需要在啟動時加入相應參數。JDK5.0以後，JVM會根據當前系統配置進行智能判斷。

串列收集器

• -XX:+UseSerialGC：設定串列收集器。

並行收集器（輸送量優先）

• -XX:+UseParallelGC：設定為並行收集器。此配置僅對年輕代有效。即年輕代使用並行收集，而年老代仍使用串列收集。
• -XX:ParallelGCThreads=20：配置並行收集器的線程數，即：同時有多少個線程一起進行記憶體回收。此值建議配置與CPU數目相等。
• -XX:+UseParallelOldGC：配置年老代垃圾收集方式為並行收集。JDK6.0開始支援對年老代並行收集。
• -XX:MaxGCPauseMillis=100：設定每次年輕代記憶體回收的最長時間（單位毫秒）。如果無法滿足此時間，JVM會自動調整年輕代大小，以滿足此時間。
• -XX:+UseAdaptiveSizePolicy：設定此選項後，並行收集器會自動調整年輕代Eden區大小和Survivor區大小的比例，以達成目標系統規定的最低回應時間或者收集頻率等指標。此參數建議在使用並行收集器時，一直開啟。

並發收集器（回應時間優先）

• -XX:+UseConcMarkSweepGC：即CMS收集，設定年老代為並發收集。CMS收集是JDK1.4後期版本開始引入的新GC演算法。它的主要適合情境是對回應時間的重要性需求大於對輸送量的需求，能夠承受記憶體回收線程和應用線程共用CPU資源，並且應用中存在比較多的長生命週期對象。CMS收集的目標是盡量減少應用的暫停時間，減少Full GC發生的幾率，利用和應用程式線程並發的記憶體回收線程來標記清除年老代記憶體。
• -XX:+UseParNewGC：設定年輕代為並發收集。可與CMS收集同時使用。JDK5.0以上，JVM會根據系統配置自行設定，所以無需再設定此參數。
• -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0：由於並發收集器不對記憶體空間進行壓縮和整理，所以運行一段時間並行收集以後會產生記憶體片段，記憶體使用量效率降低。此參數設定運行0次Full GC後對記憶體空間進行壓縮和整理，即每次Full GC後立刻開始壓縮和整理記憶體。
• -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：開啟記憶體空間的壓縮和整理，在Full GC後執行。可能會影響效能，但可以消除記憶體片段。
• -XX:+CMSIncrementalMode：設定為增量收集模式。一般適用於單CPU情況。
• -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70：表示年老代記憶體空間使用到70%時就開始執行CMS收集，以確保年老代有足夠的空間接納來自年輕代的對象，避免Full GC的發生。

其它記憶體回收參數

• -XX:+ScavengeBeforeFullGC：年輕代GC優於Full GC執行。
• -XX:-DisableExplicitGC：不響應 System.gc() 代碼。
• -XX:+UseThreadPriorities：啟用本地線程優先順序API。即使 java.lang.Thread.setPriority() 生效，不啟用則無效。
• -XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0：軟引用對象在最後一次被訪問後能存活0毫秒（JVM預設為1000毫秒）。
• -XX:TargetSurvivorRatio=90：允許90%的Survivor區被佔用（JVM預設為50%）。提高對於Survivor區的使用率。

輔助資訊參數設定

• -XX:-CITime：列印消耗在JIT編譯的時間。
• -XX:ErrorFile=./hs_err_pid.log：儲存錯誤記錄檔或資料到指定檔案中。
• -XX:HeapDumpPath=./java_pid.hprof：指定Dump堆記憶體時的路徑。
• -XX:-HeapDumpOnOutOfMemoryError：當首次遭遇記憶體溢出時Dump出此時的堆記憶體。
• -XX:OnError=";"：出現致命ERROR後運行自訂命令。
• -XX:OnOutOfMemoryError=";"：當首次遭遇記憶體溢出時執行自訂命令。
• -XX:-PrintClassHistogram：按下 Ctrl+Break 後列印堆記憶體中類執行個體的柱狀資訊，同JDK的 jmap -histo 命令。
• -XX:-PrintConcurrentLocks：按下 Ctrl+Break 後列印線程棧中並發鎖的相關資訊，同JDK的 jstack -l 命令。
• -XX:-PrintCompilation：當一個方法被編譯時間列印相關資訊。
• -XX:-PrintGC：每次GC時列印相關資訊。
• -XX:-PrintGCDetails：每次GC時列印詳細資料。
• -XX:-PrintGCTimeStamps：列印每次GC的時間戳記。
• -XX:-TraceClassLoading：跟蹤類的載入資訊。
• -XX:-TraceClassLoadingPreorder：跟蹤被引用到的所有類的載入資訊。
• -XX:-TraceClassResolution：跟蹤常量池。
• -XX:-TraceClassUnloading：跟蹤類的卸載資訊。

關於參數名稱等

• 標準參數（-），所有JVM都必須支援這些參數的功能，而且向後相容；例如：
• -client——設定JVM使用Client模式，特點是啟動速度比較快，但運行時效能和記憶體管理效率不高，通常用於用戶端應用程式或開發調試；在32位環境下直接運行Java程式預設啟用該模式。
• -server——設定JVM使Server模式，特點是啟動速度比較慢，但運行時效能和記憶體管理效率很高，適用於生產環境。在具有64位能力的JDK環境下預設啟用該模式。
• 非標準參數（-X），預設JVM實現這些參數的功能，但是並不保證所有JVM實現都滿足，且不保證向後相容；
• 非穩定參數（-XX），此類參數各個JVM實現會有所不同，將來可能會不被支援，需要謹慎使用；

JVM服務參數調優實戰大型網站伺服器案例

承受海量訪問的動態Web應用

伺服器配置：8 CPU, 8G MEM, JDK 1.6.X

參數方案：

-server -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn1256m -Xss128k -XX:SurvivorRatio=6 -XX:MaxPermSize=256m -XX:ParallelGCThreads=8 -XX:MaxTenuringThreshold=0 -XX:+UseConcMarkSweepGC

調優說明：

• -Xmx 與 -Xms 相同以避免JVM反覆重新申請記憶體。-Xmx 的大小約等於系統記憶體大小的一半，即充分利用系統資源，又給予系統安全啟動並執行空間。
• -Xmn1256m 設定年輕代大小為1256MB。此值對系統效能影響較大，Sun官方推薦配置年輕代大小為整個堆的3/8。
• -Xss128k 設定較小的線程棧以支援建立更多的線程，支援海量訪問，並提升系統效能。
• -XX:SurvivorRatio=6 設定年輕代中Eden區與Survivor區的比值。系統預設是8，根據經驗設定為6，則2個Survivor區與1個Eden區的比值為2:6，一個Survivor區占整個年輕代的1/8。
• -XX:ParallelGCThreads=8 配置並行收集器的線程數，即同時8個線程一起進行記憶體回收。此值一般配置為與CPU數目相等。
• -XX:MaxTenuringThreshold=0 設定垃圾最大年齡（在年輕代的存活次數）。如果設定為0的話，則年輕代對象不經過Survivor區直接進入年老代。對於年老代比較多的應用，可以提高效率；如果將此值設定為一個較大值，則年輕代對象會在Survivor區進行多次複製，這樣可以增加對象再年輕代的存活時間，增加在年輕代即被回收的機率。根據被海量訪問的動態Web應用之特點，其記憶體要麼被緩衝起來以減少直接存取DB，要麼被快速回收以支援高並發海量請求，因此其記憶體對象在年輕代存活多次意義不大，可以直接進入年老代，根據實際應用效果，在這裡設定此值為0。
• -XX:+UseConcMarkSweepGC 設定年老代為並發收集。CMS（ConcMarkSweepGC）收集的目標是盡量減少應用的暫停時間，減少Full GC發生的幾率，利用和應用程式線程並發的記憶體回收線程來標記清除年老代記憶體，適用於應用中存在比較多的長生命週期對象的情況。

內部整合構建伺服器案例高效能資料處理的工具應用

伺服器配置：1 CPU, 4G MEM, JDK 1.6.X

參數方案：

-server -XX:PermSize=196m -XX:MaxPermSize=196m -Xmn320m -Xms768m -Xmx1024m

調優說明：

• -XX:PermSize=196m -XX:MaxPermSize=196m 根據整合構建的特點，大規模的系統編譯可能需要載入大量的Java類到記憶體中，所以預先分配好大量的持久代記憶體是高效和必要的。
• -Xmn320m 遵循年輕代大小為整個堆的3/8原則。
• -Xms768m -Xmx1024m 根據系統大致能夠承受的堆記憶體大小設定即可。

在64位伺服器上運行應用程式，構建執行時，用 jmap -heap 11540 命令觀察JVM堆記憶體狀況如下：

Attaching to process ID 11540, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 20.12-b01

using thread-local object allocation.
Parallel GC with 4 thread(s)

Heap Configuration:
   MinHeapFreeRatio = 40
   MaxHeapFreeRatio = 70
   MaxHeapSize      = 1073741824 (1024.0MB)
   NewSize          = 335544320 (320.0MB)
   MaxNewSize       = 335544320 (320.0MB)
   OldSize          = 5439488 (5.1875MB)
   NewRatio         = 2
   SurvivorRatio    = 8
   PermSize         = 205520896 (196.0MB)
   MaxPermSize      = 205520896 (196.0MB)

Heap Usage:
PS Young Generation
Eden Space:
   capacity = 255852544 (244.0MB)
   used     = 101395504 (96.69828796386719MB)
   free     = 154457040 (147.3017120361328MB)
   39.63044588683081% used
From Space:
   capacity = 34144256 (32.5625MB)
   used     = 33993968 (32.41917419433594MB)
   free     = 150288 (0.1433258056640625MB)
   99.55984397492803% used
To Space:
   capacity = 39845888 (38.0MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 39845888 (38.0MB)
   0.0% used
PS Old Generation
   capacity = 469762048 (448.0MB)
   used     = 44347696 (42.29325866699219MB)
   free     = 425414352 (405.7067413330078MB)
   9.440459523882184% used
PS Perm Generation
   capacity = 205520896 (196.0MB)
   used     = 85169496 (81.22396087646484MB)
   free     = 120351400 (114.77603912353516MB)
   41.440796365543285% used

結果是比較健康的。