JVM性能优化 (一) 初识JVM

一、我们为什么要对JVM做优化

在本地开发环境中我们很少会遇到需要对JVM进行优化的需求，但是到了生产环境，我们可能会有下面的需求：

运行的应用“卡住了”，日志不输出，程序没有反应
服务器的CPU负载突然升高
在多线程应用下，如何分配线程的数量？

本次使用的JDK版本为1.8

二、JVM的运行参数

在jvm中有很多的参数可以进行设置，这样可以让jvm在各种环境中都能够高效的运行，绝大部分的参数保持默认即可。

2.1 三种参数类型

jvm的参数类型分为三类，分别是：

标准参数
1. -help
2. -version
-X参数（非标准参数）
1. -Xint
2. -Xcomp
-XX参数（使用率较高）
1. -XX:newSize
2. -XX:+UseSerialGC

2.2 标准参数

jvm的标准参数，一般都是很稳定的，在未来的JVM版本中不会改变，可以使用 java -help 检索出所有的标准参数

[root@localhost ~]# java -help

用法: java [-options] class [args...]
           (执行类)
   或  java [-options] -jar jarfile [args...]
           (执行 jar 文件)
其中选项包括:
    -d32          使用 32 位数据模型 (如果可用)
    -d64          使用 64 位数据模型 (如果可用)
    -server       选择 "server" VM
                  默认 VM 是 server.    -cp <目录和 zip/jar 文件的类搜索路径>
    -classpath <目录和 zip/jar 文件的类搜索路径>
                  用 ; 分隔的目录, JAR 档案
                  和 ZIP 档案列表, 用于搜索类文件。
    -D<名称>=<值>
                  设置系统属性
    -verbose:[class|gc|jni]
                  启用详细输出
    -version      输出产品版本并退出
    -version:<值>
                  警告: 此功能已过时, 将在
                  未来发行版中删除。
                  需要指定的版本才能运行
    -showversion  输出产品版本并继续
    -jre-restrict-search | -no-jre-restrict-search
                  警告: 此功能已过时, 将在
                  未来发行版中删除。
                  在版本搜索中包括/排除用户专用 JRE
    -? -help      输出此帮助消息
    -X            输出非标准选项的帮助
    -ea[:<packagename>...|:<classname>]
    -enableassertions[:<packagename>...|:<classname>]
                  按指定的粒度启用断言
    -da[:<packagename>...|:<classname>]
    -disableassertions[:<packagename>...|:<classname>]
                  禁用具有指定粒度的断言
    -esa | -enablesystemassertions
                  启用系统断言
    -dsa | -disablesystemassertions
                  禁用系统断言
    -agentlib:<libname>[=<选项>]
                  加载本机代理库 <libname>, 例如 -agentlib:hprof
                  另请参阅 -agentlib:jdwp=help 和 -agentlib:hprof=help
    -agentpath:<pathname>[=<选项>]
                  按完整路径名加载本机代理库
    -javaagent:<jarpath>[=<选项>]
                  加载 Java 编程语言代理, 请参阅 java.lang.instrument
    -splash:<imagepath>

2.2.1 实战

1：查看jvm版本

[root@localhost ~]# java -version

java version "1.8.0_201"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_201-b09)
Java HotSpot(TM) Server VM (build 25.201-b09, mixed mode)
[root@localhost ~]#

2：通过-D设置系统属性参数

/**
 * @program: hgyq_app
        * @ClassName TestJvm
        * @description:
        * @author: lyy
        * @create: 2020-04-21 10:49
        * @Version 1.0
        **/
public class TestJvm {    public static void main(String[] args) {
        String str = System.getProperty("str");
        if(str == null){
            System.out.println("muxiaonong");
        }else{
            System.out.println(str);
        }
    }
}

编译、测试：

# 编译
[root@localhost ~]# javac TestJvm.java #测试
[root@localhost ~]# java TestJvm
muxiaonong
[root@localhost ~]# java -Dstr=520 TestJvm
520

2.2.2 -server与-client参数

可以通过 -server 或 -client 设置jvm的运行参数

他们的区别是Server VM的初始堆空间会大一些，默认使用的是并行垃圾回收器，启动慢运行快
Client VM相对来讲会保守一些，初始堆空间会小一些，使用串行的垃圾回收器，它的目标是为了让JVM的启动速度更快，但运行速度会比Serverm模式慢些
JVM在启动的时候会根据硬件和操作系统自动选择使用Server还是Client的JVM
32位操作系统
1.如果是Windows系统，不论硬件配置如何，都默认使用Client类型的JVM

2.如果是其他操作系统上，机器配置有2GB以上的内存同时有2个以上的CPU的话默认使用server模式，否则使用client模式
64位操作系统
1. 只有server类型，不支持client类型

测试（本机是32位操作系统）：

# 参数操作系统位数
[root@localhost ~]# cat /proc/version
Linux version 2.6.32-358.el6.i686 (mockbuild@c6b8.bsys.dev.centos.org) (gcc version 4.4.7 20120313 (Red Hat 4.4.7-3) (GCC) ) #1 SMP Thu Feb 21 21:50:49 UTC 2013#设置Jvm的运行参数
[root@localhost ~]# java -client -showversion TestJvm
[root@localhost ~]# java -server -showversion TestJvm

2.3 -X参数

jvm的 -X参数是非标准的参数，在不同版本的jvm中，参数可能会有所不用，可以通过 java -X参看非标准参数

[root@localhost ~]# java -X
    -Xmixed           混合模式执行 (默认)
    -Xint             仅解释模式执行
    -Xbootclasspath:<用 ; 分隔的目录和 zip/jar 文件>
                      设置搜索路径以引导类和资源
    -Xbootclasspath/a:<用 ; 分隔的目录和 zip/jar 文件>
                      附加在引导类路径末尾
    -Xbootclasspath/p:<用 ; 分隔的目录和 zip/jar 文件>
                      置于引导类路径之前
    -Xdiag            显示附加诊断消息
    -Xnoclassgc       禁用类垃圾收集
    -Xincgc           启用增量垃圾收集
    -Xloggc:<file>    将 GC 状态记录在文件中 (带时间戳)
    -Xbatch           禁用后台编译
    -Xms<size>        设置初始 Java 堆大小
    -Xmx<size>        设置最大 Java 堆大小
    -Xss<size>        设置 Java 线程堆栈大小
    -Xprof            输出 cpu 配置文件数据
    -Xfuture          启用最严格的检查, 预期将来的默认值
    -Xrs              减少 Java/VM 对操作系统信号的使用 (请参阅文档)
    -Xcheck:jni       对 JNI 函数执行其他检查
    -Xshare:off       不尝试使用共享类数据
    -Xshare:auto      在可能的情况下使用共享类数据 (默认)
    -Xshare:on        要求使用共享类数据, 否则将失败。
    -XshowSettings    显示所有设置并继续
    -XshowSettings:all
                      显示所有设置并继续
    -XshowSettings:vm 显示所有与 vm 相关的设置并继续
    -XshowSettings:properties
                      显示所有属性设置并继续
    -XshowSettings:locale
                      显示所有与区域设置相关的设置并继续-X 选项是非标准选项, 如有更改, 恕不另行通知。

2.3.1 -Xint、-Xcomp、-Xmixed

在解释模式下(interpreted mode)下，-Xint标记会强制JVM执行所有的字节码，但是会降低运行速度，通常低10倍或更多
-Xcomp参数与它（-Xint）正好相反，JVM在第一次使用时会把所有的字节码编译成本地代码，从而带来最大程度的优化
1. 很多应用在使用 -Xcomp也会有一些性能损失，不过会比使用 -Xint损失的少，原因是 -Xcomp没有让JVM启动JIT编译器的全部功能，JIT编译器可以对是否需要编译做判断，如果所有代码进行编译的话，对于一些只执行一次的代码就没有意义了
-Xmixed是混合模式，将解释模式与编译模式进行混合使用，由jvm自己决定，这是jvm默认的模式，也是推荐使用的模式

示例：强势设置运行模式

# 强制设置为解释模式
[root@localhost ~]# java -showversion -Xint TestJvm# 强制设置为编译模式
# 注意：在编译模式下，第一次执行会比
[root@localhost ~]# java -showversion -Xcomp TestJvm# 默认的混合模式
[root@localhost ~]# java -showversion -Xmixed TestJvm

2.4 -XX参数

-XX参数也是非标准参数，主要用于jvm的调优和debug操作

-XX参数的使用有2种方式，一种是boolean类型，一种是非boolean类型：

boolean类型
1. 格式：-XX:[+-] <name> 标识启用或禁用<name>属性，+表示开启，-表示关闭
2. 如：-XX:+DisableExplicitGC 表示禁用手动调用gc操作，也就是说调用System.gc()无效
非boolean类型
1. 格式：-XX:<name>=<value>表示<name>属性的值为<value>
2. 如：-XX:NewRatio=1表示新生代和老年代的比值
是否打印GC收集细节
1. -XX:+PrintGCDetails
2. -XX:-PrintGCDetails
是否使用串行垃圾收集器
1. -XX:+UseSerialGC
2. -XX:-UserSerialGC

在这里配置-XX:属性值后

再启动我们的main方法

2.5 -Xms与-Xmx参数

-Xms与-Xmx分别是设置jvm的堆内存的初始大小和最大大小

-Xmx2048m：等价于-XX:MaxHeapSize，设置JVM最大堆内存为2048M

-Xms512m：等价于-XX:InitialHeapSize，设置JVM初始堆内存为512M

适当的调整jvm的内存大小，可以充分利用服务器资源，让程序跑的更快

示例：

[root@localhost ~]# java -Xms512m -Xmx2048m TestJvm
muxiaonong

2.6 查看jvm的运行参数

有些时候我们需要查看jvm的运行参数，这个需求可能会存在2种情况：

第一，运行java命令时打印出运行参数；

第二，查看正在运行的java进程的参数；

2.6.1 运行java命令时打印参数

java -XX:+PrintFlagsFinal -version

在上述的信息可以看出，参数有boolean类型和数字类型，值的操作符是 =或者 :=，分别代表默认值和被修改的值

三、JVM的内存模型

jvm的内存模型在1.7和1.8有较大的区别，虽然本文中是以1.8为例进行讲解，但是我们也会对1.7的内存模型有所了解。所以我们先来了解一下1.7在学习1.8的内存模型

3.1、jdk1.7的堆内存模型

Young 年轻区（代）

Young区域被划分为三部分，Eden区和两个大小严格相同的Survivor区，其中，Survivor区间中，某一时刻只有其中一个是被使用的，另外一个留做垃圾收集时复制对象用，在Eden区间变满的时候，GC就会将存活的对象移到空闲的Survivor区间中，根据JVM的策略，在经过几次垃圾收集后，任然存活于Survivor的对象被移动到Tenured区间。
Tenured 年老区

Tenured 区主要保存生命周期长的对象，一般是一些老的对象，当一些对象在Young复制转移一定的次数以后，对象就会被转移到Tenured区，一般如果系统中用了application级别的缓存，缓存中的对象往往会被转移到这一区间
Perm 永久区

Perm代主要保存 class、method、filed对象，这部分的空间一般不会溢出，除非一次性加载了很多的类，不过在设计到热部署的应用服务器的时候，有时候会遇到 java.lang.OutOfMempryError：PermGen Space的错误，造成这个错误的很大原因就有可能是每次都重新部署，但是重新部署后，类的class没有被卸载掉，这样就造成了大量的class对象保存在perm中，这种情况下，一般重新启动应用服务器可以解决问题
Virtual区

最大内存和初始内存的差值，就是 Virtual区

3.2、jdk1.8的堆内存模型

由上图可以看出，jdk1.8的内存模型是由2部分组成，年轻代 + 年老代

年轻代：Eden + 2*Survivor

年老代：OldGen

在jdk1.8中变化最大的Perm区，用Metaspace（元数据空间）进行了替换

需要特别说明的是：Metaspace所占用的内存空间不是在虚拟机内部，而是在本地内存空间中，这也是与1.7的永久代最大的区别所在

3.3、为什么要废弃1.7中的永久区？

关于为什么会废弃1.7中的永久区，我们在官网中可以看到说明，官网地址：http://openjdk.java.net/jeps/122

This is part of the JRockit and Hotspot convergence effort. JRockit customers do not need to configure the permanent generation (since JRockit does not have a permanent generation) and are accustomed to not configuring the permanent generation.

移除用永久代是为融合Hot Spot JVm与JRockit VM 而做出的努力，因为Jrockit没有永久代，不需要配置永久代

在我们现实使用中，由于永久代内存经常不够用或发生内存泄露，报出异常 java.lang.OutOfMempryError：PermGen ，因此将永久区废弃，而改用元空间，改为了使用本地内存空间

3.4、通过jstat命令进行查看堆内存使用情况

jstat 命令可以查看堆内存各部分的使用量，以及加载类的数量，命令的格式如下：

jstat [-命令选项] [vmid] [间隔时间/毫秒] [查询次数]

3.4.1 查看class加载统计

[root@localhost ~]# jstat -class 20736

说明：

方法	描述
Loaded	加载class的数量
Bytes	所占用空间大小
Unloaded	未加载数量
Bytes	未加载占用空间
Time	时间

3.4.2 查看编译统计

[root@localhost ~]# jstat -compiler 20736

方法	描述
Compiled	编译数量
Failed	失败数量
Invalid	不可用数量
Time	时间
FailedType	失败类型
FailedMethod	失败的方法

3.4.3 垃圾回收统计

[root@localhost ~]# jstat -gc 20736

S0C：第一个Survivor区的大小（KB）

S1C：第二个Survivor区的大小（KB）

S0U：第一个Survivor区的使用大小（KB）

S1U：第二个Survivor区的使用大小（KB）

EC：Eden区的大小（KB）

EU：Eden区的使用大小（KB）

OC：Old区大小（KB）

OU：Old区使用大小（KB）

MC：方法区大小（KB）

MU：方法区使用大小（KB）

CCSC：压缩类空间大小（KB）

CCSU：压缩类空间使用大小（KB）

YGC：年轻代垃圾回收次数

YGCT：年轻代垃圾回收消耗时间

FGC：老年代垃圾回收次数

FGCT：老年代垃圾回收消耗时间

GCT ：垃圾回收消耗总时间

四、总结

到这里文章就讲完了，有疑问的兄弟可以在下面讨论或留言，也祝大家在今年开开心心，健健康康，能够拥有一份好工作，大家加油，我是牧小农！