JVM性能調(diào)優(yōu)
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作者 | 滴哩哩哩滴哩哩哩噠噠
來源 | urlify.cn/mqMVvu
1、JVM調(diào)優(yōu)目標：
使用較小的內(nèi)存占用來獲得較高的吞吐量或者較低的延遲。
程序在上線前的測試或運行中有時會出現(xiàn)一些大大小小的JVM問題，比如cpu load過高、請求延遲、tps降低等，甚至出現(xiàn)內(nèi)存泄漏（每次垃圾收集使用的時間越來越長，垃圾收集頻率越來越高，每次垃圾收集清理掉的垃圾數(shù)據(jù)越來越少）、內(nèi)存溢出導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，因此需要對JVM進行調(diào)優(yōu)，使得程序在正常運行的前提下，獲得更高的用戶體驗和運行效率。
這里有幾個比較重要的指標：
內(nèi)存占用：程序正常運行需要的內(nèi)存大小。
延遲：由于垃圾收集而引起的程序停頓時間。
吞吐量：用戶程序運行時間占用戶程序和垃圾收集占用總時間的比值。
當然，和CAP原則一樣，同時滿足一個程序內(nèi)存占用小、延遲低、高吞吐量是不可能的，程序的目標不同，調(diào)優(yōu)時所考慮的方向也不同，在調(diào)優(yōu)之前，必須要結(jié)合實際場景，有明確的的優(yōu)化目標，找到性能瓶頸，對瓶頸有針對性的優(yōu)化，最后進行測試，通過各種監(jiān)控工具確認調(diào)優(yōu)后的結(jié)果是否符合目標。
2、JVM調(diào)優(yōu)工具
（1）調(diào)優(yōu)可以依賴、參考的數(shù)據(jù)有系統(tǒng)運行日志、堆棧錯誤信息、gc日志、線程快照、堆轉(zhuǎn)儲快照等。
①系統(tǒng)運行日志：系統(tǒng)運行日志就是在程序代碼中打印出的日志，描述了代碼級別的系統(tǒng)運行軌跡（執(zhí)行的方法、入?yún)ⅰ⒎祷刂档龋话阆到y(tǒng)出現(xiàn)問題，系統(tǒng)運行日志是首先要查看的日志。
②堆棧錯誤信息：當系統(tǒng)出現(xiàn)異常后，可以根據(jù)堆棧信息初步定位問題所在，比如根據(jù)“java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space”可以判斷是堆內(nèi)存溢出；根據(jù)“java.lang.StackOverflowError”可以判斷是棧溢出；根據(jù)“java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space”可以判斷是方法區(qū)溢出等。
③GC日志：程序啟動時用 -XX:+PrintGCDetails 和 -Xloggc:/data/jvm/gc.log 可以在程序運行時把gc的詳細過程記錄下來，或者直接配置“-verbose:gc”參數(shù)把gc日志打印到控制臺，通過記錄的gc日志可以分析每塊內(nèi)存區(qū)域gc的頻率、時間等，從而發(fā)現(xiàn)問題，進行有針對性的優(yōu)化。
比如如下一段GC日志：
2018-08-02T14:39:11.560-0800: 10.171: [GC [PSYoungGen: 30128K->4091K(30208K)] 51092K->50790K(98816K), 0.0140970 secs] [Times: user=0.02 sys=0.03, real=0.01 secs]
2018-08-02T14:39:11.574-0800: 10.185: [Full GC [PSYoungGen: 4091K->0K(30208K)] [ParOldGen: 46698K->50669K(68608K)] 50790K->50669K(98816K) [PSPermGen: 2635K->2634K(21504K)], 0.0160030 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.02 secs]
2018-08-02T14:39:14.045-0800: 12.656: [GC [PSYoungGen: 14097K->4064K(30208K)] 64766K->64536K(98816K), 0.0117690 secs] [Times: user=0.02 sys=0.01, real=0.01 secs]
2018-08-02T14:39:14.057-0800: 12.668: [Full GC [PSYoungGen: 4064K->0K(30208K)] [ParOldGen: 60471K->401K(68608K)] 64536K->401K(98816K) [PSPermGen: 2634K->2634K(21504K)], 0.0102020 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]
上面一共是4條GC日志，來看第一行日志，“2018-08-02T14:39:11.560-0800”是精確到了毫秒級別的UTC 通用標準時間格式，配置了“-XX:+PrintGCDateStamps”這個參數(shù)可以跟隨gc日志打印出這種時間戳，“10.171”是從JVM啟動到發(fā)生gc經(jīng)過的秒數(shù)。第一行日志正文開頭的“[GC”說明這次GC沒有發(fā)生Stop-The-World（用戶線程停頓），第二行日志正文開頭的“[Full GC”說明這次GC發(fā)生了Stop-The-World，所以說，[GC和[Full GC跟新生代和老年代沒關(guān)系，和垃圾收集器的類型有關(guān)系，如果直接調(diào)用System.gc()，將顯示[Full GC(System)。接下來的“[PSYoungGen”、“[ParOldGen”表示GC發(fā)生的區(qū)域，具體顯示什么名字也跟垃圾收集器有關(guān)，比如這里的“[PSYoungGen”表示Parallel Scavenge收集器，“[ParOldGen”表示Serial Old收集器，此外，Serial收集器顯示“[DefNew”，ParNew收集器顯示“[ParNew”等。再往后的“30128K->4091K(30208K)”表示進行了這次gc后，該區(qū)域的內(nèi)存使用空間由30128K減小到4091K，總內(nèi)存大小為30208K。每個區(qū)域gc描述后面的“51092K->50790K(98816K), 0.0140970 secs”進行了這次垃圾收集后，整個堆內(nèi)存的內(nèi)存使用空間由51092K減小到50790K，整個堆內(nèi)存總空間為98816K，gc耗時0.0140970秒。
④線程快照：顧名思義，根據(jù)線程快照可以看到線程在某一時刻的狀態(tài)，當系統(tǒng)中可能存在請求超時、死循環(huán)、死鎖等情況是，可以根據(jù)線程快照來進一步確定問題。通過執(zhí)行虛擬機自帶的“jstack pid”命令，可以dump出當前進程中線程的快照信息，更詳細的使用和分析網(wǎng)上有很多例，這篇文章寫到這里已經(jīng)很長了就不過多敘述了，貼一篇博客供參考：http://www.cnblogs.com/kongzhongqijing/articles/3630264.html
⑤堆轉(zhuǎn)儲快照：程序啟動時可以使用 “-XX:+HeapDumpOnOutOfMemory” 和 “-XX:HeapDumpPath=/data/jvm/dumpfile.hprof”，當程序發(fā)生內(nèi)存溢出時，把當時的內(nèi)存快照以文件形式進行轉(zhuǎn)儲（也可以直接用jmap命令轉(zhuǎn)儲程序運行時任意時刻的內(nèi)存快照），事后對當時的內(nèi)存使用情況進行分析。
（2）JVM調(diào)優(yōu)工具
①用 jps（JVM process Status）可以查看虛擬機啟動的所有進程、執(zhí)行主類的全名、JVM啟動參數(shù)，比如當執(zhí)行了JPSTest類中的main方法后（main方法持續(xù)執(zhí)行），執(zhí)行 jps -l可看到下面的JPSTest類的pid為31354，加上-v參數(shù)還可以看到JVM啟動參數(shù)。
3265
32914 sun.tools.jps.Jps
31353 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
31354 com.danny.test.code.jvm.JPSTest
380
②用jstat（JVM Statistics Monitoring Tool）監(jiān)視虛擬機信息
jstat -gc pid 500 10 ：每500毫秒打印一次Java堆狀況（各個區(qū)的容量、使用容量、gc時間等信息），打印10次
S0C S1C S0U S1U EC EU OC OU MC MU CCSC CCSU YGC YGCT FGC FGCT GCT
11264.0 11264.0 11202.7 0.0 11776.0 1154.3 68608.0 36238.7 - - - - 14 0.077 7 0.049 0.126
11264.0 11264.0 11202.7 0.0 11776.0 4037.0 68608.0 36238.7 - - - - 14 0.077 7 0.049 0.126
11264.0 11264.0 11202.7 0.0 11776.0 6604.5 68608.0 36238.7 - - - - 14 0.077 7 0.049 0.126
11264.0 11264.0 11202.7 0.0 11776.0 9487.2 68608.0 36238.7 - - - - 14 0.077 7 0.049 0.126
11264.0 11264.0 0.0 0.0 11776.0 258.1 68608.0 58983.4 - - - - 15 0.082 8 0.059 0.141
11264.0 11264.0 0.0 0.0 11776.0 3076.8 68608.0 58983.4 - - - - 15 0.082 8 0.059 0.141
11264.0 11264.0 0.0 0.0 11776.0 0.0 68608.0 390.0 - - - - 16 0.084 9 0.066 0.149
11264.0 11264.0 0.0 0.0 11776.0 0.0 68608.0 390.0 - - - - 16 0.084 9 0.066 0.149
11264.0 11264.0 0.0 0.0 11776.0 258.1 68608.0 390.0 - - - - 16 0.084 9 0.066 0.149
11264.0 11264.0 0.0 0.0 11776.0 3012.8 68608.0 390.0 - - - - 16 0.084 9 0.066 0.149
jstat還可以以其他角度監(jiān)視各區(qū)內(nèi)存大小、監(jiān)視類裝載信息等，具體可以google jstat的詳細用法。
③用jmap（Memory Map for Java）查看堆內(nèi)存信息
執(zhí)行jmap -histo pid可以打印出當前堆中所有每個類的實例數(shù)量和內(nèi)存占用，如下，class name是每個類的類名（[B是byte類型，[C是char類型，[I是int類型），bytes是這個類的所有示例占用內(nèi)存大小，instances是這個類的實例數(shù)量：
num #instances #bytes class name
----------------------------------------------
1: 2291 29274080 [B
2: 15252 1961040 <methodKlass>
3: 15252 1871400 <constMethodKlass>
4: 18038 721520 java.util.TreeMap$Entry
5: 6182 530088 [C
6: 11391 273384 java.lang.Long
7: 5576 267648 java.util.TreeMap
8: 50 155872 [I
9: 6124 146976 java.lang.String
10: 3330 133200 java.util.LinkedHashMap$Entry
11: 5544 133056 javax.management.openmbean.CompositeDataSupport
執(zhí)行 jmap -dump 可以轉(zhuǎn)儲堆內(nèi)存快照到指定文件，比如執(zhí)行 jmap -dump:format=b,file=/data/jvm/dumpfile_jmap.hprof 3361 可以把當前堆內(nèi)存的快照轉(zhuǎn)儲到dumpfile_jmap.hprof文件中，然后可以對內(nèi)存快照進行分析。
④利用jconsole、jvisualvm分析內(nèi)存信息(各個區(qū)如Eden、Survivor、Old等內(nèi)存變化情況)，如果查看的是遠程服務(wù)器的JVM，程序啟動需要加上如下參數(shù)：
"-Dcom.sun.management.jmxremote=true"
"-Djava.rmi.server.hostname=12.34.56.78"
"-Dcom.sun.management.jmxremote.port=18181"
"-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false"
"-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false"
下圖是jconsole界面，概覽選項可以觀測堆內(nèi)存使用量、線程數(shù)、類加載數(shù)和CPU占用率；內(nèi)存選項可以查看堆中各個區(qū)域的內(nèi)存使用量和左下角的詳細描述（內(nèi)存大小、GC情況等）；線程選項可以查看當前JVM加載的線程，查看每個線程的堆棧信息，還可以檢測死鎖；VM概要描述了虛擬機的各種詳細參數(shù)。（jconsole功能演示）
下圖是jvisualvm的界面，功能比jconsole略豐富一些，不過大部分功能都需要安裝插件。概述跟jconsole的VM概要差不多，描述的是jvm的詳細參數(shù)和程序啟動參數(shù)；監(jiān)視展示的和jconsole的概覽界面差不多（CPU、堆/方法區(qū)、類加載、線程）；線程和jconsole的線程界面差不多；抽樣器可以展示當前占用內(nèi)存的類的排行榜及其實例的個數(shù)；Visual GC可以更豐富地展示當前各個區(qū)域的內(nèi)存占用大小及歷史信息（下圖）。（jvisualvm功能演示）
⑤分析堆轉(zhuǎn)儲快照
前面說到配置了 “-XX:+HeapDumpOnOutOfMemory” 參數(shù)可以在程序發(fā)生內(nèi)存溢出時dump出當前的內(nèi)存快照，也可以用jmap命令隨時dump出當時內(nèi)存狀態(tài)的快照信息，dump的內(nèi)存快照一般是以.hprof為后綴的二進制格式文件。
可以直接用 jhat（JVM Heap Analysis Tool） 命令來分析內(nèi)存快照，它的本質(zhì)實際上內(nèi)嵌了一個微型的服務(wù)器，可以通過瀏覽器來分析對應(yīng)的內(nèi)存快照，比如執(zhí)行 jhat -port 9810 -J-Xmx4G /data/jvm/dumpfile_jmap.hprof 表示以9810端口啟動 jhat 內(nèi)嵌的服務(wù)器：
Reading from /Users/dannyhoo/data/jvm/dumpfile_jmap.hprof...
Dump file created Fri Aug 03 15:48:27 CST 2018
Snapshot read, resolving...
Resolving 276472 objects...
Chasing references, expect 55 dots.......................................................
Eliminating duplicate references.......................................................
Snapshot resolved.
Started HTTP server on port 9810
Server is ready.
在控制臺可以看到服務(wù)器啟動了，訪問 http://127.0.0.1:9810/ 可以看到對快照中的每個類進行分析的結(jié)果（界面略low），下圖是我隨便選擇了一個類的信息，有這個類的父類，加載這個類的類加載器和占用的空間大小，下面還有這個類的每個實例（References）及其內(nèi)存地址和大小，點進去會顯示這個實例的一些成員變量等信息：
jvisualvm也可以分析內(nèi)存快照，在jvisualvm菜單的“文件”-“裝入”，選擇堆內(nèi)存快照，快照中的信息就以圖形界面展示出來了，如下，主要可以查看每個類占用的空間、實例的數(shù)量和實例的詳情等：
還有很多分析內(nèi)存快照的第三方工具，比如eclipse mat，它比jvisualvm功能更專業(yè)，出了查看每個類及對應(yīng)實例占用的空間、數(shù)量，還可以查詢對象之間的調(diào)用鏈，可以查看某個實例到GC Root之間的鏈，等等。可以在eclipse中安裝mat插件，也可以下載獨立的版本（http://www.eclipse.org/mat/downloads.php ），我在mac上安裝后運行起來老卡死~下面是在windows上的截圖（MAT功能演示）：
（3）JVM調(diào)優(yōu)經(jīng)驗
JVM配置方面，一般情況可以先用默認配置（基本的一些初始參數(shù)可以保證一般的應(yīng)用跑的比較穩(wěn)定了），在測試中根據(jù)系統(tǒng)運行狀況（會話并發(fā)情況、會話時間等），結(jié)合gc日志、內(nèi)存監(jiān)控、使用的垃圾收集器等進行合理的調(diào)整，當老年代內(nèi)存過小時可能引起頻繁Full GC，當內(nèi)存過大時Full GC時間會特別長。
那么JVM的配置比如新生代、老年代應(yīng)該配置多大最合適呢？答案是不一定，調(diào)優(yōu)就是找答案的過程，物理內(nèi)存一定的情況下，新生代設(shè)置越大，老年代就越小，F(xiàn)ull GC頻率就越高，但Full GC時間越短；相反新生代設(shè)置越小，老年代就越大，F(xiàn)ull GC頻率就越低，但每次Full GC消耗的時間越大。建議如下：
-Xms和-Xmx的值設(shè)置成相等，堆大小默認為-Xms指定的大小，默認空閑堆內(nèi)存小于40%時，JVM會擴大堆到-Xmx指定的大小；空閑堆內(nèi)存大于70%時，JVM會減小堆到-Xms指定的大小。如果在Full GC后滿足不了內(nèi)存需求會動態(tài)調(diào)整，這個階段比較耗費資源。
新生代盡量設(shè)置大一些，讓對象在新生代多存活一段時間，每次Minor GC 都要盡可能多的收集垃圾對象，防止或延遲對象進入老年代的機會，以減少應(yīng)用程序發(fā)生Full GC的頻率。
老年代如果使用CMS收集器，新生代可以不用太大，因為CMS的并行收集速度也很快，收集過程比較耗時的并發(fā)標記和并發(fā)清除階段都可以與用戶線程并發(fā)執(zhí)行。
方法區(qū)大小的設(shè)置，1.6之前的需要考慮系統(tǒng)運行時動態(tài)增加的常量、靜態(tài)變量等，1.7只要差不多能裝下啟動時和后期動態(tài)加載的類信息就行。
代碼實現(xiàn)方面，性能出現(xiàn)問題比如程序等待、內(nèi)存泄漏除了JVM配置可能存在問題，代碼實現(xiàn)上也有很大關(guān)系：
避免創(chuàng)建過大的對象及數(shù)組：過大的對象或數(shù)組在新生代沒有足夠空間容納時會直接進入老年代，如果是短命的大對象，會提前出發(fā)Full GC。
避免同時加載大量數(shù)據(jù)，如一次從數(shù)據(jù)庫中取出大量數(shù)據(jù)，或者一次從Excel中讀取大量記錄，可以分批讀取，用完盡快清空引用。
當集合中有對象的引用，這些對象使用完之后要盡快把集合中的引用清空，這些無用對象盡快回收避免進入老年代。
可以在合適的場景（如實現(xiàn)緩存）采用軟引用、弱引用，比如用軟引用來為ObjectA分配實例：SoftReference objectA=new SoftReference(); 在發(fā)生內(nèi)存溢出前，會將objectA列入回收范圍進行二次回收，如果這次回收還沒有足夠內(nèi)存，才會拋出內(nèi)存溢出的異常。
避免產(chǎn)生死循環(huán)，產(chǎn)生死循環(huán)后，循環(huán)體內(nèi)可能重復(fù)產(chǎn)生大量實例，導(dǎo)致內(nèi)存空間被迅速占滿。盡量避免長時間等待外部資源（數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備資源等）的情況，縮小對象的生命周期，避免進入老年代，如果不能及時返回結(jié)果可以適當采用異步處理的方式等。
（4）JVM問題排查記錄案例
JVM服務(wù)問題排查 https://blog.csdn.net/jacin1/article/details/44837595
次讓人難以忘懷的排查頻繁Full GC過程 http://caogen81.iteye.com/blog/1513345
線上FullGC頻繁的排查 https://blog.csdn.net/wilsonpeng3/article/details/70064336/
【JVM】線上應(yīng)用故障排查 https://www.cnblogs.com/Dhouse/p/7839810.html
一次JVM中FullGC問題排查過程 http://iamzhongyong.iteye.com/blog/1830265
JVM內(nèi)存溢出導(dǎo)致的CPU過高問題排查案例 https://blog.csdn.net/nielinqi520/article/details/78455614
一個java內(nèi)存泄漏的排查案例 https://blog.csdn.net/aasgis6u/article/details/54928744
（5）常用JVM參數(shù)參考：
| 參數(shù) | 說明 | 實例 |
|---|---|---|
| -Xms | 初始堆大小，默認物理內(nèi)存的1/64 | -Xms512M |
| -Xmx | 最大堆大小，默認物理內(nèi)存的1/4 | -Xms2G |
| -Xmn | 新生代內(nèi)存大小，官方推薦為整個堆的3/8 | -Xmn512M |
| -Xss | 線程堆棧大小，jdk1.5及之后默認1M，之前默認256k | -Xss512k |
| -XX:NewRatio=n | 設(shè)置新生代和年老代的比值。如:為3，表示年輕代與年老代比值為1：3，年輕代占整個年輕代年老代和的1/4 | -XX:NewRatio=3 |
| -XX:SurvivorRatio=n | 年輕代中Eden區(qū)與兩個Survivor區(qū)的比值。注意Survivor區(qū)有兩個。如:8，表示Eden：Survivor=8:1:1，一個Survivor區(qū)占整個年輕代的1/8 | -XX:SurvivorRatio=8 |
| -XX:PermSize=n | 永久代初始值，默認為物理內(nèi)存的1/64 | -XX:PermSize=128M |
| -XX:MaxPermSize=n | 永久代最大值，默認為物理內(nèi)存的1/4 | -XX:MaxPermSize=256M |
| -verbose:class | 在控制臺打印類加載信息 | |
| -verbose:gc | 在控制臺打印垃圾回收日志 | |
| -XX:+PrintGC | 打印GC日志，內(nèi)容簡單 | |
| -XX:+PrintGCDetails | 打印GC日志，內(nèi)容詳細 | |
| -XX:+PrintGCDateStamps | 在GC日志中添加時間戳 | |
| -Xloggc:filename | 指定gc日志路徑 | -Xloggc:/data/jvm/gc.log |
| -XX:+UseSerialGC | 年輕代設(shè)置串行收集器Serial | |
| -XX:+UseParallelGC | 年輕代設(shè)置并行收集器Parallel Scavenge | |
| -XX:ParallelGCThreads=n | 設(shè)置Parallel Scavenge收集時使用的CPU數(shù)。并行收集線程數(shù)。 | -XX:ParallelGCThreads=4 |
| -XX:MaxGCPauseMillis=n | 設(shè)置Parallel Scavenge回收的最大時間(毫秒) | -XX:MaxGCPauseMillis=100 |
| -XX:GCTimeRatio=n | 設(shè)置Parallel Scavenge垃圾回收時間占程序運行時間的百分比。公式為1/(1+n) | -XX:GCTimeRatio=19 |
| -XX:+UseParallelOldGC | 設(shè)置老年代為并行收集器ParallelOld收集器 | |
| -XX:+UseConcMarkSweepGC | 設(shè)置老年代并發(fā)收集器CMS | |
| -XX:+CMSIncrementalMode | 設(shè)置CMS收集器為增量模式，適用于單CPU情況。 |
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