解读JVM虚拟机

概要点：

  • java虚拟机概述和基本概念
  • 堆、栈、方法区
  • 了解虚拟机参数
  • 垃圾回收概念和算法、及对象的分代转换
  • 垃圾收集器

java虚拟机的原理：

  • 所谓虚拟机，就是一台虚拟的机器。它是一款软件，用来执行一系列虚拟计算机指令，大体上虚拟机可以分为系统虚拟机和程序虚拟机，大名鼎鼎的Visual Box、VMare就属于系统虚拟机，他们完全是对物理计算机的仿真，提供了一个可运行完整操作系统的软件平台。
  • 程序虚拟机典型代表就是Java虚拟机，它专门为执行单个计算机程序而设计，在java虚拟机中执行的指令我们成为java字节码指令。无论是系统虚拟机还是程序虚拟机，在上面运行的软件都被限制于虚拟机提供的资源中。Java发展至今，出现过很多虚拟机，最初Sun使用的一款叫Classic的Java虚拟机，到现在引用最广泛的是HotSpot虚拟机，除了Sun意外，还有BEA的JRockit，目前JRockit和HotSpot都被Oracle收入旗下，大有整合的趋势。

java虚拟机的基本结构

结构概念说明：

  • 类加载子系统：负责从文件系统或者网络中加载Class信息，加载的信息 存放在一块称之为方法区的内存空间。
  • 方法区：就是存放类信息、常量信息、常量池信息、包括字符串字面量和数字常量等。
  • java堆：在java虚拟机启动的时候建立java堆，它是java程序最主要的内存工作区域，几乎所有的对象实例都存放到java堆中，堆空间是所有线程共享的。
  • 直接内存：Java的NIO库允许java程序使用直接内存，从而提高性能，通常直接内存速度会优于java堆。读写频繁的场合可能会考虑使用。
  • 每个虚拟机线程都有一个私有的栈，一个线程的java栈在线程创建的时候被创建，java栈中保存着局部变量、方法参数、同时java的方法调用、返回值等。
  • 本地方法栈和java栈非常类似，最大不同为本地方法栈用于本地方法调用。java虚拟机允许java直接调用本地方法（通常使用C编写）。
  • 垃圾收集系统是java的核心，也是必不可少的，java有一套自己进行垃圾清理的机制，开发人员无需手工清理，我们稍后详细说明。
  • PC（Program Counter）寄存器也是每个线程私有的空间，java虚拟机会为每个线程创建PC寄存器，在任意时刻，一个java线程总是在执行一个方法，这个方法被称为当前方法，如果当前方法不是本地方法，PC寄存器就会执行当前正在被执行的指令，如果是本地方法，则PC寄存器值为undefined,寄存器存放如当前执行环境指针、程序计数器、操作栈指针、计算的变量指针等信息。

  • 虚拟机最核心的组件就是执行引擎了，它负责执行虚拟机的字节码。一般户先进行编译成机器码后执行

堆、栈、方法区概念和联系：

  • 堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿。 栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据。
  • 方法区则是辅助堆栈的快永久区（Perm），解决堆栈信息的产生，是先决条件。
  • 我们创建一个新的对象，User：那么User类的一些信息（类信息、静态信息都存在于方法区中） 而User类被实例化出来之后，被存储到java堆中，一块内存空间 当我们去使用的时候，都是使用User对象的引用，形如User user = new User(); 这里的user就是存放在java栈中的，即User真实对象的一个引用。

java栈：

  • java栈是一块线程私有的内存空间，一个栈，一般由三部分组成：局部变量表、操作数栈和帧数据区。
  • 局部变量表：用于报错函数的参数及局部变量。 操作数栈：主要保存计算过程的中间结果，同时作为计算过程中变量临时的存储空间。
  • 帧数据区：除了局部变量表和操作数栈以外，栈还需要一些数据来支持常量池的解析，这里帧数据区保存着访问常量池的指针，方便程序访问常量池。
  • 另外，当函数返回或者出现异常时，虚拟机必须有一个异常处理表，方便发送异常的时候找到异常的代码，因此异常处理表也是帧数据区的一部分。

java方法区：

  • java方法区和堆一样，方法区是一块所有线程共享的内存区域，它保存系统的类信息，比如类的字段、方法、常量池等。
  • 方法区的大小决定了系统可以保存多少个类，如果系统定义太多的类，导致方法区溢出。虚拟机同样会抛出内存溢出错误。方法区可以理解为永久区（Perm）

虚拟机参数：

  • 在虚拟机运行的过程中，如果可以跟踪系统的运行状态，那么对于问题的故障排查会有一定的帮助。
  • 为此，虚拟机提供了一些跟踪系统状态的参数，使用给定的参数执行java虚拟机，就可以在系统运行时打印相关日志，用于分析实际问题。我们进行虚拟机参数配置，其实主要就是围绕着堆、栈、方法区进行配置。

堆分配参数（一）：

  • -XX:+PrintGC 使用这个参数，虚拟机启动后，只要遇到GC就会打印日志。
  • -XX:+UseSerialGC 配置串行回收器
  • -XX:+PrintGCDetails 可以查看详细信息，包括各个区的情况
  • -Xms：设置java程序启动时初始堆大小
  • -Xmx：设置java程序能获得的最大堆大小
  • -Xmx20m -Xms5m -XX:+PrintCommandLineFlags : 可以将隐式或者显示传给虚拟机的参数输出
  • 总结：在实际工作中，我们可以直接将初始的堆大小与最大堆大小设置相等，这样的好处是可以减少程序运行时的垃圾回收次数，从而提高性能。

堆分配参数（二）:

  • 新生代的配置 -Xmn：可以设置新生代的大小，设置一个比较大的新生代会减少老年代的大小，这个参数对系统性能以及GC行为有很大的影响，新生代大小一般会设置整个堆空间的1/3到1/4左右。
  • -XX:SurvivorRatio：用来设置新生代中eden空间和from/to空间的比例。含义：-XX:SurvivorRatio=eden/from=eden/to

  • 总结：不同的堆分布情况，对系统执行会产生一定的影响，在实际工作中，应该根据系统的特点做出合理的配置，基本策略：尽可能将对象预留在新生代，减少老年代的GC次数。 除了可以设置新生代的绝对大小（-Xmn），还可以使用（-XX:NewRatio）设置新生代和老年代的比例：-XX:NewRatio=老年代/新生代

堆溢出处理:

  • 在java程序的运行过程中，如果堆空间不足，则会抛出内存溢出的错误（Out Of Menory）OOM，一旦这类问题发生在生产环境，可能引起严重的业务中断。
  • java虚拟机提供了-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，使用该参数可以在内存溢出时导出整个堆信息，与之配合使用的还有参数， -XX:HeapDumpPath，可以设置导出堆的存放路径。

栈配置:

  • Java虚拟机提供了参数-Xss来指定线程的最大栈空间，整个参数也直接决定了函数可调用的最大深度。

方法区：

  • 和java堆一样，方法区是一块所有线程共享的内存区域，它用于保存系统的类信息，方法区（永久区）可以保存多少信息可以对其进行配置。
  • 在默认情况下，-XX:MaxPermSize为64MB，如果系统运行时生产大量的类，就需要设置一个相对合适的方法区，以免出现永久区内存溢出的问题。 -XX:PermSize=64M -XX:MaxPermSize=64M

直接内存配置：

  • 直接内存也是java程序中非常重要的组成部分，特别是广泛用在NIO中，直接内存跳过了java堆，使java程序可以直接访问原生堆空间，因此在一定程度上加快了内存空间的访问速度。但是说直接内存一定就可以提高内存访问速度也不见得，具体情况具体分析。
  • 相关配置参数：-XX:MaxDirectMemorySize，如果不设置默认值为最大堆空间，即-Xmx。直接内存使用达到上限时，就会触发垃圾回收，如果不能有效的释放空间，也会引起系统的OOM.

垃圾回收概念和其算法：

  • 谈到垃圾回收（Garbage Collection，简称GC）,需要先澄清什么是垃圾，类比日常生活中的垃圾，我们会把他们丢入垃圾桶，然后倒掉。
  • GC中的垃圾，特指存于内存中、不会再被使用的对象，而回收就是相当于把垃圾“倒掉”。 垃圾回收有很多种算法：如引用计数法、标记压缩法、复制算法、分代、分区的思想。

垃圾收集算法（一）：

  • 引用计数法：这是个比较古老而经典的垃圾收集算法，其核心就是在对象被其他所引用时计数器加1，而当引用失效时则减1，但是这种方式有非常严重的问题：无法处理循环引用的情况、还有就是每次进行加减操作比较浪费系统性能。 标记清除法：就是分为标记和清除俩个阶段进行处理内存中的对象，当然这种方式也有非常大的弊端，就是空间碎片问题，垃圾回收后的空间不是连续的，不连续的内存空间的工作效率要低于连续的内存空间。
  • 复制算法：其核心思想就是将内存空间分为两块，，每次只使用其中一块，在垃圾回收时，将正在使用的内存中的存留对象复制到未被使用的内存块中去，之后去清除之前正在使用的内存块中所有的对象，反复去交换俩个内存的角色，完成垃圾收集。（java中新生代的from和to空间就是使用这个算法）
  • 标记压缩法：标记压缩法在标记清除法基础之上做了优化，把存活的对象压缩到内存一端，而后进行垃圾清理。（java中老年代使用的就是标记压缩法） 考虑一个问题：为什么新生代和老年代使用不同的算法？

垃圾收集算法（二）：

  • 分代算法：就是根据对象的特点把内存分成N块，而后根据每个内存的特点使用不同的算法。 对于新生代和老年代来说，新生代回收频率很高，但是每次回收耗时都很短，而老年代回收频率较低，但是耗时会相对较长，所以应该尽量减少老年代的GC.
  • 分区算法：其主要就是将整个内存分为N多个小的独立空间，每个小空间都可以独立使用，这样细粒度的控制一次回收都少个小空间和那些个小空间，而不是对整个空间进行GC，从而提升性能，并减少GC的停顿时间。

垃圾回收时的停顿现象：

  • 垃圾回收器的任务是识别和回收垃圾对象进行内存清理，为了让垃圾回收器可以高效的执行，大部分情况下，会要求系统进入一个停顿的状态。
  • 停顿的目的是终止所有应用线程，只有这样系统才不会有新的垃圾产生，同事停顿保证了系统状态在某一个瞬间的一致性，也有益于更好低标记垃圾对象。因此在垃圾回收时，都会产生应用程序的停顿。

对象如何进入老年代：

  • 一般而言对象首次创建会被放置在新生代的eden区，如果没有GC介入，则对象不会离开eden区，那么eden区的对象如何进入老年代呢？
  • 一般来讲，只要对象的年龄达到一定的大小，就会自动离开年轻代进入老年代，对象年龄是由对象经历数次GC决定的，在新生代每次GC之后如果对象没有被回收则年龄加1.虚拟机提供了一个参数来控制新生代对象的最大年龄，当超过这个年龄范围就会晋升老年代。 -XX:MaxTenuringThreshold，默认情况下为15。

  • 总结：根据设置MaxTenuringThreshold参数，可以指定新生代对象经过多少次回收后进入老年代。 另外，大对象（新生代eden区无法装入时，也会直接进入老年代）。JVM里有个参数可以设置对象的大小超过在指定的大小之后，直接晋升老年代。 -XX:PretenureSizeThreshold

  • 总结：使用PretenureSizeThreshold可以进行指定进入老年代的对象大小，但是要注意TLAB区域优先分配空间。

对象创建流程图：

垃圾收集器：

  • 在java虚拟机中，垃圾回收器不仅仅只有一种，什么情况下该使用哪种，对性能又有什么样的影响，这都是我们需要了解的。
  • 串行垃圾回收器
  • 并行垃圾回收器
  • CMS回收器
  • G1回收器

串行回收器：

  • 串行回收器是指使用单线程进行垃圾回收的回收器。每次回收时，串行回收器只有一个工作线程，对于并行能力较弱的计算机来说，串行回收器的专注性和独占性往往有更好的性能表现。
  • 串行回收器可以在新生代和老年代使用，根据作用于不同的堆空间，分为新生代串行回收器和老年代串行回收器。 使用-XX:+UseSerialGC 参数可以设置使用新生代串行回收器和老年代串行回收器

并行回收器（ParNew回收器）:

  • 并行回收器在串行回收器基础上做了改进，他可以使用多个线程同时进行垃圾回收，对于计算能力强的计算机而言，可以有效的缩短垃圾回收所需的实际时间。
  • ParNew回收器是一个工作在新生代的垃圾收集器，他只是简单的将串行回收器多线程化，他的回收策略和算法和串行回收器一样。
  • 使用 -XX:+UseParNewGC 新生代ParNew回收器，老年代则使用串行回收器 ParNew回收器工作时的线程数量可以使用
  • -XX:ParallelGCThreads参数指定，一般最好和计算机的CPU相当，避免过多的线程影响性能。

并行回收器（ParallelGC回收器）:

  • 新生代ParallelGC回收器，使用了复制算法的收集器，也是多线程独占形式的收集器，但ParallelGC回收器有个非常重要的特点，就是它非常关注系统的吞吐量。
  • 提供了俩个非常关键的参数控制系统的吞吐量
  • -XX:MaxGCPauseMillis：设置最大垃圾收集停顿时间，可用把虚拟机在GC停顿的时间控制在MaxGCPauseMillis范围内，如果希望减少GC停顿时间可以将MaxGCPauseMillis设置的很小，但是会导致GC频繁，从而增加了GC的总时间，降低了吞吐量。所以需要根据实际情况设置该值。
  • -XX:GCTimeRatio：设置吞吐量大小，它是一个0到100之间的整数，默认情况下他的取值是99，那么系统将花费不超过1/(1+n)的时间用于垃圾回收，也就是1/(1+99) = 1%的时间。
  • 另外还可以指定 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy打开自适应模式，在这种模式下，新生代的大小、eden、from/to的比例，以及晋升老年代的对象年龄参数会被自动调整，以达到在堆大小、吞吐量和停顿时间之间的平衡点。

并行回收器（ParallelOldGC回收器）：

  • 老年代ParallelOldGC回收器也是一种多线程的回收器，和新生代的ParallelGC回收器一样，也是一种关注吞吐量的回收器，他使用了标记压缩算法进行实现。
  • -XX:+UseParallelOldGC 进行设置
  • -XX:+ParallelGCThreads 也可以设置垃圾收集时的线程数量。

CMS回收器：

  • CMS全称为：Concurrent Mark Sweep 意为并发标记清除，他使用的是标记清除法，主要关注系统停顿时间。
  • 使用 -XX:+UseConcMarkSweepGC 进行设置。
  • 使用 -XX:ConcGCThreads 设置并发线程数量。
  • CMS并不是独占的回收器，也就说CMS回收的过程中，应用程序仍然在不停的工作，又会有新的垃圾不断的产生，所以在使用CMS的过程中应该确保应用程序的内存足够可用。CMS不会等到应用程序饱和的时候才去回收垃圾，而是在某一阀值的时候开始回收，回收阀值可用指定的参数进行配置，-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction来指定，默认为68，也就是说当老年代的空间使用率达到68%的时候，会执行CMS回收。如果内存使用率增长的很快，在CMS执行的过程中，已经出现了内存不足的情况，此时CMS回收就会失败，虚拟机将启动老年代串行回收器进行垃圾回收，这会导致应用程序中断，知道垃圾回收完成后才会正常工作，这个过程GC的停顿时间可能较长，所以 - XX:CMSInitiatingOccupancyFraction的设置要根据实际的情况。
  • 标记清除法有个缺点就是存在内存碎片的问题，那么CMS有个参数设置-XX:+UseCMSCompactAtFullCollecion可以使CMS回收完成之后进行一次碎片整理，-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction参数可以设置进行多少次CMS回收之后，对内存进行一次压缩。

G1回收器：

  • G1回收器(Garbage-First)实在jdk1.7中正式使用的垃圾回收器，从长期目标来看是为了取代CMS回收器，G1回收器拥有独特的垃圾回收策略，G1属于分代垃圾回收器，区分新生代和老年代，依然有eden和from/to区，它并不要求整个eden区或者新生代、老年代的空间都连续，它使用了分区算法。
  • 并行性：G1回收期间可多线程同时工作。
  • 并发性：G1拥有与应用程序交替执行能力，部分工作可与应用程序同时执行，在整个GC期间不会完全阻塞应用程序。
  • 分代GC:G1依然是一个分代的收集器，但是它是兼顾新生代和老年代一起工作，之前的垃圾收集器他们或者在新生代工作，或者在老年代工作，因此这是一个很大的不同。 空间整理：G1在回收过程中，不会像CMS那样在若干次GC后需要进行碎片整理，G1采用了有效复制对象的方式，减少空间碎片。
  • 可预见性：由于分区的原因，G1可以只选取部分区域进行回收，缩小了回收的范围，提升了性能。
  • 使用 -XX:+UseG1GC 应用G1收集器
  • 使用 -XX:MaxGCPauseMillis 指定最大停顿时间
  • 使用 -XX:ParallelGCThreads 设置并行回收的线程数量

Tomcat性能影响实验:

  • 配置环境说明： Tomcat7
  • 一个JSP网站 测试网站吞吐量（1个指标、停顿时间，内存的使用情况，包括回收的效率....）
  • 工具： Apache JMeter 下载地址：http://jmeter.apache.org/download_jmeter.cgi
  • 实验原理： 通过JMeter对Tomcat增加压力，不同的虚拟机参数应该会有不同的表现
  • 目的： 观察不同配置参数对吞吐量的影响

测试串行回收器:

  • -XX:+PrintGCDetails -Xmx32M -Xms32M
  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
  • -XX:+UseSerialGC -XX:PermSize=32M
  • 测试结果显示吞吐量为：1152 115

扩大堆内存以提升系统性能:

  • -XX:+PrintGCDetails -Xmx512M -Xms32M
  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
  • -XX:+UseSerialGC
  • -XX:PermSize=32M -Xloggc:d:/gc.log
  • 测试结果显示吞吐量为：1557 155

调整初始堆大小:

  • -XX:+PrintGCDetails -Xmx512M -Xms64M
  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
  • -XX:+UseSerialGC
  • -XX:PermSize=32M -Xloggc:d:/gc.log
  • 测试结果显示吞吐量为：2100 209

测试ParNew回收器的表现:

  • -XX:+PrintGCDetails -Xmx512M -Xms64M
  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
  • -XX:+UseParNewGC -XX:PermSize=32M -Xloggc:d:/gc.log
  • 测试结果显示吞吐量为：2200 220

使用ParallelOldGC回收器:

  • -XX:+PrintGCDetails -Xmx512M -Xms64M
  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
  • -XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC
  • -XX:ParallelGCThreads=8 -XX:PermSize=32M -Xloggc:d:/gc.log
  • 测试结果显示吞吐量为：3336 330

测试CMS回收器的性能:

  • -XX:+PrintGCDetails -Xmx512M -Xms64M
  • -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
  • -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:ConcGCThreads=8
  • -XX:PermSize=32M -Xloggc:d:/gc.log
  • 测试结果显示吞吐量为：2100  209
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