JVM初探

1. 垃圾回收器类型及选择

现在比较常用的是分代收集(generational collection,也是SUN VM使用的,J2SE1.2之后引入),即将内存分为几个区域,将不同生命周期的对象放在不同区域里:young generation,tenured generation和permanet generation。绝大部分的object被分配在young generation(生命周期短),并且大部分的object在这里die。当young generation满了之后,将引发minor collection(YGC)。在minor collection后存活的object会被移动到tenured generation(生命周期比较长)。最后,tenured generation满之后触发major collection。major collection(Full gc)会触发整个heap的回收,包括回收young generation。permanet generation区域比较稳定,主要存放classloader信息。我们要尽量减少 Full gc 的次数(tenured generation 一般比较大,收集的时间较长,频繁的Full gc会导致应用的性能受到严重的影响)。

垃圾回收算法和思想

垃圾回收器有多种实现,每一种所采用的算法和思想都不尽相同,主要的几种算法有:标记-清除法、复制法、标记压缩法

  • 标记-清除法: 标记-清除法将垃圾回收分为两个阶段,在标记阶段,标记所有从根节点开始可达的对象,然后清除阶段,清除所有未被标记的对象,这一方法的最大问题是会产生内存碎片。

  • 复制法:将原有的内存空间分为两块,每次只使用一块,在垃圾回收时,将正在使用中的内存中的存活对象复制到另一块内存中,然后清除所有正在使用的内存块中的存活对象。

  • 标记-压缩法:在标记之后不是简单的清除,而是将标记的存活对象压缩到内存的一边,之后清理边界外所有的对象,这样既避免了内存碎片,又不需要两块相同的内存块。

辅助信息

JVM提供了大量命令行参数,打印信息,供调试使用.主要有以下一些:

内存分配

  • 堆内存分配

JVM初始分配的内存由-Xms指定,默认是物理内存的1/64;JVM最大分配的内存由-Xmx指定,默认是物理内存的1/4.默认空余堆内存小于40%时,JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制;空余堆内存大于70%时, JVM会减少堆直到-Xms的最小限制.因此服务器一般设置-Xms,-Xmx相等以避免在每次GC 后调整堆的大小.

  • 非堆内存分配

持久区不属于堆的一部分,它的大小直接决定了系统支持多少个类定义和多少常量 JVM使用-XX:PermSize设置非堆内存初始值,默认是物理内存的1/64;由XX:MaxPermSize设置最大非堆内存的大小,默认是物理内存的1/4。一般来说持久区设置为64M可以满足大部分应用的需求,然后将Max上限设为128M,这是两个比较常用的数值。如果到了128M依然产生永久区溢出,那就要考虑优化系统的设计,减少动态类的产生,或者使用GC回收部分驻扎在永久区的无用类信息,以使系统健康

  • JVM内存限制(最大值)

首先JVM内存首先受限于实际的最大物理内存,假设物理内存无限大的话,JVM内存的最大值跟操作系统有很大的关系.简单的说就32位处理器虽然可控内存空间有4GB,但是具体的操作系统会给一个限制,这个限制一般是 2GB-3GB(一般来说Windows系统下为1.5G-2G,Linux系统下为2G-3G),而64bit以上的处理器就不会有限制了

常见配置汇总

  • 堆设置

-Xms:初始堆大小
-Xmx:最大堆大小
-XX:MinHeapFreeRatio:设置最小空闲堆比例,当空闲空间的比例低于这个阈值,JVM便会扩展堆空间。
-XX:MaxHeapFreeRatio :设置最大堆空闲比例,当堆空间中的空闲比例高于这个阈值,JVM便会压缩堆空间,得到一个较小的堆。默认是70%
-Xmn:设置年轻代大小
-XX:NewRatio=n:设置年轻代和年老代的比值.如:为3,表示年轻代与年老代比值为1:3,年轻代占整个年轻代年老代和的1/4
-XX:SurvivorRatio=n:年轻代中Eden区与两个Survivor区的比值.注意Survivor区有两个.如:3,表示Eden:Survivor=3:2,一个Survivor区占整个年轻代的1/5
-XX:TargetSurvivorRatio:设置survivor的使用率,当该区的空间使用率高于这个阈值时,就会将对象送到老年代。默认是50%
-XX:MaxTenuringThreshold:设置对象在survivor区最多存活多少代。默认是15.
-XX:PretenureSizeThreshold:设置大对象直接进入老年代的阈值(这个参数只对串行收集器和并行收集器有效,并行回收收集器不识别这个参数)
-XX:PermSize:设置持久代初始值
-XX:MaxPermSize=n:设置持久代大小

  • 收集器设置

-XX:+UseSerialGC:设置串行收集器
-XX:+UseParNewGC:新生代使用并行收集器,老生代使用串行收集器
-XX:+UseParallelGC:新生代使用并行收集器 ,老年代使用串行收集器,
-XX:+UseParalledlOldGC:新生代和老年代都是用并行收集器
-XX:+UseConcMarkSweepGC(并发标记清除):新生代使用并行收集器,老生代使用CMS收集器

  • 垃圾回收统计信息

-XX:+PrintGC
-XX:+PrintGCDetails
-XX:+PrintGCTimeStamps 输出GC的时间戳(以基准时间的形式)
-XX:+PrintGCDateStamps 输出GC的时间戳(以日期的形式,如 2013-05-04T21:53:59.234+0800)
-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime
-Xloggc:filename

  • 并行收集器设置

-XX:ParallelGCThreads=n:设置并行收集器收集时使用的CPU数.并行收集线程数.

  • 新生代并行回收收集器可以使用以下参数:

-XX:MaxGCPauseMillis=n:设置并行收集最大暂停时间
-XX:GCTimeRatio=n:设置吞吐量大小,也即垃圾回收时间占程序运行时间的百分比.公式为1/(1+n)
-XX:UserAdaptiveSizePolicy:打开自适应GC策略,在这种模式下,新生代的大小、eden和survivor区的比例、晋升老年代的对象年龄等参数会被动态调整,以达到在堆大小、吞吐量、停顿时间之间的平衡点。

  • CMS并发收集器设置

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction:当老年代的空间使用率达到这个阈值时执行CMS回收
-XX:+CMSIncrementalMode:设置为增量模式.适用于单CPU情况.
-XX:ParallelGCThreads=n:设置并发收集器年轻代收集方式为并行收集时,使用的CPU数.并行收集线程数.
-XX:UseCMSCompactAtFullCollection:cms垃圾收集完之后进行一次碎片整理
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction:设定进行多少次CMS收集后,进行一次碎片整理

  • 打印GC日志

-Xloggc参数指定GC日志的输出位置 如:-Xloggc:H\gc.log将日志输出到H盘下的gc.log文件中

-verbose.gc -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDateStamps -XX:+PrintHeapAtGC -XX:+PrintTenuringDistribution -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime -XX:+PrintTenuringDistribution -Xloggc:/data/log/xxx/xxx-gc.log -XX:+PrintGCDetails

例:ES中CMS配置

org.elasticsearch.bootstrap.Elasticsearch -d -Xms31g -Xmx31g -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=75 -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly -XX:+DisableExplicitGC -XX:+AlwaysPreTouch -Xss1m -Djava.awt.headless=true -Dfile.encoding=UTF-8 -Djna.nosys=true -Djdk.io.permissionsUseCanonicalPath=true -Dio.netty.noUnsafe=true -Dio.netty.noKeySetOptimization=true -Dio.netty.recycler.maxCapacityPerThread=0 -Dlog4j.shutdownHookEnabled=false -Dlog4j2.disable.jmx=true -Dlog4j.skipJansi=true -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -Des.path.home=/home/anzhihe/app/elasticsearch-5.x.0

  • 典型设置:

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k
-Xmx3550m:设置JVM最大可用内存为3550M.
-Xms3550m:设置JVM初始内存为3550m.此值可以设置与-Xmx相同,以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存.
-Xmn2g:设置年轻代大小为2G.整个堆大小=年轻代大小+年老代大小+持久代大小.持久代一般固定大小为64m,所以增大年轻代后,将会减小年老代大小.此值对系统性能影响较大,Sun官方推荐配置为整个堆的3/8.
-Xss128k:设置每个线程的堆栈大小.JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M,以前每个线程堆栈大小为256K.根据应用的线程所需内存大小进行 调整.在相同物理内存下,减小这个值能生成更多的线程.但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的,不能无限生成,经验值在3000~5000左右.

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xss128k -XX:NewRatio=4 -XX:SurvivorRatio=4 -XX:MaxPermSize=16m -XX:MaxTenuringThreshold=0
-XX:NewRatio=4:设置年轻代(包括Eden和两个Survivor区)与年老代的比值(除去持久代).设置为4,则年轻代与年老代所占比值为1:4,年轻代占整个堆栈的1/5
-XX:SurvivorRatio=4:设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值.设置为4,则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:4,一个Survivor区占整个年轻代的1/6
-XX:MaxPermSize=16m:设置持久代大小为16m.
-XX:MaxTenuringThreshold=0:设置垃圾最大年龄.如果设置为0的话,则年轻代对象不经过Survivor区,直接进入年老代. 对于年老代比较多的应用,可以提高效率.如果将此值设置为一个较大值,则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制,这样可以增加对象在年轻代的存活时间,减少频繁地Minor GC.

回收器选择

JVM给了三种选择:串行收集器,并行收集器,并发收集器,但是串行收集器只适用于小数据量的情况,所以这里的选择主要针对并行收集器和并发收集器.默认情况下,JDK5.0以前都是使用串行收集器,如果想使用其他收集器需要在启动时加入相应参数.JDK5.0以后,JVM会根据当前系统配置进行判断.

1、吞吐量优先的并行收集器

如上文所述,并行收集器主要以到达一定的吞吐量为目标,适用于科学技术和后台处理等. 典型配置:

java -Xmx3800m -Xms3800m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=20
-XX:+UseParallelGC:选择垃圾收集器为并行收集器.此配置仅对年轻代有效.即上述配置下,年轻代使用并发收集,而年老代仍旧使用串行收集.
-XX:ParallelGCThreads=20:配置并行收集器的线程数,即:同时多少个线程一起进行垃圾回收.此值最好配置与处理器数目相等.

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=20 -XX:+UseParallelOldGC
-XX:+UseParallelOldGC:配置年老代垃圾收集方式为并行收集.JDK6.0支持对年老代并行收集.

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:MaxGCPauseMillis=100
-XX:MaxGCPauseMillis=100:设置每次年轻代垃圾回收的最长时间,如果无法满足此时间,JVM会自动调整年轻代大小,以满足此值.

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy:设置此选项后,并行收集器会自动选择年轻代区大小和相应的Survivor区比例,以达到目标系统规定的最低相应时间或者收集频率等,此值建议使用并行收集器时,一直打开.

2、响应时间优先的并发收集器

如上文所述,并发收集器主要是保证系统的响应时间,减少垃圾收集时的停顿时间.适用于应用服务器,电信领域等. 典型配置:

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:ParallelGCThreads=20 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC
-XX:+UseConcMarkSweepGC:设置年老代为并发收集.测试中配置这个以后,-XX:NewRatio=4的配置失效了,原因不明.所以,此时年轻代大小最好用-Xmn设置.
-XX:+UseParNewGC:设置年轻代为并行收集.可与CMS收集同时使用.JDK5.0以上,JVM会根据系统配置自行设置,所以无需再设置此值.

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction:由于并发收集器不对内存空间进行压缩,整理,所以运行一段时间以后会产生”碎片”,使得运行效率降低.此值设置运行多少次GC以后对内存空间进行压缩,整理.
-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection:打开对年老代的压缩.可能会影响性能,但是可以消除碎片

参考: 

2.调优小节

2.1 使用稳定的堆大小

稳定的堆可以避免堆在垃圾回收和使用过程中发生震荡,可以减少GC次数。因为如果-xms的值较小,虚拟机为了使内存使用量保持在指定范围内,就会频繁的GC,增加了minor gc和full gc的次数,只有实在没办法的时候才会扩展堆,直到达到-xmx甚至报出out of memory错误

2.2 年轻代大小选择

响应时间优先的应用:尽可能设大,直到接近系统的最低响应时间限制(根据实际情况选择)。在此种情况下,年轻代收集发生的频率也是最小的。同时,减少到达年老代的对象。 吞吐量优先的应用:尽可能的设置大,可能到达Gbit的程度。因为对响应时间没有要求,垃圾收集可以并行进行,一般适合8CPU以上的应用。

  • 年老代大小选择

  • 并发垃圾收集信息

  • 持久代并发收集次数

  • 传统GC信息

  • 花在年轻代和年老代回收上的时间比例

2.3 响应时间优先的应用

年老代使用并发收集器,所以其大小需要小心设置,一般要考虑并发会话率和会话持续时间等一些参数。如果堆设置小了,可以会造成内存碎片、高回收频率以及应用暂停而使用传统的标记清除方式;如果堆大了,则需要较长的收集时间。最优化的方案,一般需要参考以下数据获得:减少年轻代和年老代花费的时间,一般会提高应用的效率

2.4 吞吐量优先的应用

一般吞吐量优先的应用都有一个很大的年轻代和一个较小的年老代。原因是,这样可以尽可能回收掉大部分短期对象,减少中期的对象,而年老代尽量存放长期存活对象。

2.5 较小堆引起的碎片问题

因为年老代的并发收集器使用标记、清除算法,所以不会对堆进行压缩。当收集器回收时,他会把相邻的空间进行合并,这样可以分配给较大的对象。但是,当堆空间较小时,运行一段时间以后,就会出现“碎片”,如果并发收集器找不到足够的空间,那么并发收集器将会停止,然后使用传统的标记、清除方式进行回收。如果出现“碎片”,可能需要进行如下配置:

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection:使用并发收集器时,开启对年老代的压缩。
-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0:上面配置开启的情况下,这里设置多少次Full GC后,对年老代进行压缩

普通GC只回收部分垃圾对象,因此回收完毕后,系统中仍存在大量的垃圾对象;完全GC,系统彻底的对垃圾对象进行回收,回收完毕后,垃圾对象所占用的内存得到彻底的回收,此时系统中存在的对象都是真正在使用的活动对象,这时候的Java内存真实地反映了Java对象所占用的内存的大小。

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