Java內(nèi)存與垃圾回收調(diào)優(yōu)
要了解Java垃圾收集機(jī)制，先理解JVM內(nèi)存模式是非常重要的。今天我們將會(huì)了解JVM內(nèi)存的各個(gè)部分、如何監(jiān)控以及垃圾收集調(diào)優(yōu)。
Java（JVM）內(nèi)存模型
正如你從上面的圖片看到的，JVM內(nèi)存被分成多個(gè)獨(dú)立的部分。廣泛地說(shuō)，JVM堆內(nèi)存被分為兩部分——年輕代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。
年輕代
年輕代是所有新對(duì)象產(chǎn)生的地方。當(dāng)年輕代內(nèi)存空間被用完時(shí)，就會(huì)觸發(fā)垃圾回收。這個(gè)垃圾回收叫做Minor GC。年輕代被分為3個(gè)部分——Enden區(qū)和兩個(gè)Survivor區(qū)。
年輕代空間的要點(diǎn)：
- 大多數(shù)新建的對(duì)象都位于Eden區(qū)。
- 當(dāng)Eden區(qū)被對(duì)象填滿時(shí)，就會(huì)執(zhí)行Minor GC。并把所有存活下來(lái)的對(duì)象轉(zhuǎn)移到其中一個(gè)survivor區(qū)。
- Minor GC同樣會(huì)檢查存活下來(lái)的對(duì)象，并把它們轉(zhuǎn)移到另一個(gè)survivor區(qū)。這樣在一段時(shí)間內(nèi)，總會(huì)有一個(gè)空的survivor區(qū)。
- 經(jīng)過(guò)多次GC周期后，仍然存活下來(lái)的對(duì)象會(huì)被轉(zhuǎn)移到年老代內(nèi)存空間。通常這是在年輕代有資格提升到年老代前通過(guò)設(shè)定年齡閾值來(lái)完成的。
年老代
年老代內(nèi)存里包含了長(zhǎng)期存活的對(duì)象和經(jīng)過(guò)多次Minor GC后依然存活下來(lái)的對(duì)象。通常會(huì)在老年代內(nèi)存被占滿時(shí)進(jìn)行垃圾回收。老年代的垃圾收集叫做Major GC。Major GC會(huì)花費(fèi)更多的時(shí)間。
Stop the World事件
所有的垃圾收集都是“Stop the World”事件，因?yàn)樗械膽?yīng)用線程都會(huì)停下來(lái)直到操作完成（所以叫“Stop the World”）。
因?yàn)槟贻p代里的對(duì)象都是一些臨時(shí)（short-lived ）對(duì)象，執(zhí)行Minor GC非?？?，所以應(yīng)用不會(huì)受到（“Stop the World”）影響。
由于Major GC會(huì)檢查所有存活的對(duì)象，因此會(huì)花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間。應(yīng)該盡量減少M(fèi)ajor GC。因?yàn)镸ajor GC會(huì)在垃圾回收期間讓你的應(yīng)用反應(yīng)遲鈍，所以如果你有一個(gè)需要快速響應(yīng)的應(yīng)用發(fā)生多次Major GC，你會(huì)看到超時(shí)錯(cuò)誤。
垃圾回收時(shí)間取決于垃圾回收策略。這就是為什么有必要去監(jiān)控垃圾收集和對(duì)垃圾收集進(jìn)行調(diào)優(yōu)。從而避免要求快速響應(yīng)的應(yīng)用出現(xiàn)超時(shí)錯(cuò)誤。
***代
***代或者“Perm Gen”包含了JVM需要的應(yīng)用元數(shù)據(jù)，這些元數(shù)據(jù)描述了在應(yīng)用里使用的類和方法。注意，***代不是Java堆內(nèi)存的一部分。
***代存放JVM運(yùn)行時(shí)使用的類。***代同樣包含了Java SE庫(kù)的類和方法。***代的對(duì)象在full GC時(shí)進(jìn)行垃圾收集。
方法區(qū)
方法區(qū)是***代空間的一部分，并用來(lái)存儲(chǔ)類型信息（運(yùn)行時(shí)常量和靜態(tài)變量）和方法代碼和構(gòu)造函數(shù)代碼。
內(nèi)存池
如果JVM實(shí)現(xiàn)支持，JVM內(nèi)存管理會(huì)為創(chuàng)建內(nèi)存池，用來(lái)為不變對(duì)象創(chuàng)建對(duì)象池。字符串池就是內(nèi)存池類型的一個(gè)很好的例子。內(nèi)存池可以屬于堆或者***代，這取決于JVM內(nèi)存管理的實(shí)現(xiàn)。
運(yùn)行時(shí)常量池
運(yùn)行時(shí)常量池是每個(gè)類常量池的運(yùn)行時(shí)代表。它包含了類的運(yùn)行時(shí)常量和靜態(tài)方法。運(yùn)行時(shí)常量池是方法區(qū)的一部分。
Java棧內(nèi)存
Java棧內(nèi)存用于運(yùn)行線程。它們包含了方法里的臨時(shí)數(shù)據(jù)、堆里其它對(duì)象引用的特定數(shù)據(jù)。你可以閱讀棧內(nèi)存和堆內(nèi)存的區(qū)別。
Java 堆內(nèi)存開(kāi)關(guān)
Java提供了大量的內(nèi)存開(kāi)關(guān)（參數(shù)），我們可以用它來(lái)設(shè)置內(nèi)存大小和它們的比例。下面是一些常用的開(kāi)關(guān)：
| VM 開(kāi)關(guān) | VM 開(kāi)關(guān)描述 |
|---|---|
| -Xms | 設(shè)置JVM啟動(dòng)時(shí)堆的初始化大小。 |
| -Xmx | 設(shè)置堆***值。 |
| -Xmn | 設(shè)置年輕代的空間大小，剩下的為老年代的空間大小。 |
| -XX:PermGen | 設(shè)置***代內(nèi)存的初始化大小。 |
| -XX:MaxPermGen | 設(shè)置***代的***值。 |
| -XX:SurvivorRatio | 提供Eden區(qū)和survivor區(qū)的空間比例。比如，如果年輕代的大小為10m并且VM開(kāi)關(guān)是-XX:SurvivorRatio=2，那么將會(huì)保留5m內(nèi)存給Eden區(qū)和每個(gè)Survivor區(qū)分配2.5m內(nèi)存。默認(rèn)比例是8。 |
| -XX:NewRatio | 提供年老代和年輕代的比例大小。默認(rèn)值是2。 |
Java垃圾回收大多數(shù)時(shí)候，上面的選項(xiàng)已經(jīng)足夠使用了。但是如果你還想了解其他的選項(xiàng)，那么請(qǐng)查看JVM選項(xiàng)官方網(wǎng)頁(yè)。
Java垃圾回收會(huì)找出沒(méi)用的對(duì)象，把它從內(nèi)存中移除并釋放出內(nèi)存給以后創(chuàng)建的對(duì)象使用。Java程序語(yǔ)言中的一個(gè)***優(yōu)點(diǎn)是自動(dòng)垃圾回收，不像其他的程序語(yǔ)言那樣需要手動(dòng)分配和釋放內(nèi)存，比如C語(yǔ)言。
垃圾收集器是一個(gè)后臺(tái)運(yùn)行程序。它管理著內(nèi)存中的所有對(duì)象并找出沒(méi)被引用的對(duì)象。所有的這些未引用的對(duì)象都會(huì)被刪除，回收它們的空間并分配給其他對(duì)象。
一個(gè)基本的垃圾回收過(guò)程涉及三個(gè)步驟：
- 標(biāo)記：這是***步。在這一步，垃圾收集器會(huì)找出哪些對(duì)象正在使用和哪些對(duì)象不在使用。
- 正常清除：垃圾收集器清會(huì)除不在使用的對(duì)象，回收它們的空間分配給其他對(duì)象。
- 壓縮清除：為了提升性能，壓縮清除會(huì)在刪除沒(méi)用的對(duì)象后，把所有存活的對(duì)象移到一起。這樣可以提高分配新對(duì)象的效率。
簡(jiǎn)單標(biāo)記和清除方法存在兩個(gè)問(wèn)題：
- 效率很低。因?yàn)榇蠖鄶?shù)新建對(duì)象都會(huì)成為“沒(méi)用對(duì)象”。
- 經(jīng)過(guò)多次垃圾回收周期的對(duì)象很有可能在以后的周期也會(huì)存活下來(lái)。
上面簡(jiǎn)單清除方法的問(wèn)題在于Java垃圾收集的分代回收的，而且在堆內(nèi)存里有年輕代和年老代兩個(gè)區(qū)域。我已經(jīng)在上面解釋了Minor GC和Major GC是怎樣掃描對(duì)象，以及如何把對(duì)象從一個(gè)分代空間移到另外一個(gè)分代空間。
Java垃圾回收類型
這里有五種可以在應(yīng)用里使用的垃圾回收類型。僅需要使用JVM開(kāi)關(guān)就可以在我們的應(yīng)用里啟用垃圾回收策略。讓我們一起來(lái)逐一了解：
- Serial GC（-XX:+UseSerialGC）：Serial GC使用簡(jiǎn)單的標(biāo)記、清除、壓縮方法對(duì)年輕代和年老代進(jìn)行垃圾回收，即Minor GC和Major GC。Serial GC在client模式（客戶端模式）很有用，比如在簡(jiǎn)單的獨(dú)立應(yīng)用和CPU配置較低的機(jī)器。這個(gè)模式對(duì)占有內(nèi)存較少的應(yīng)用很管用。
- Parallel GC（-XX:+UseParallelGC）：除了會(huì)產(chǎn)生N個(gè)線程來(lái)進(jìn)行年輕代的垃圾收集外，Parallel GC和Serial GC幾乎一樣。這里的N是系統(tǒng)CPU的核數(shù)。我們可以使用 -XX:ParallelGCThreads=n 這個(gè)JVM選項(xiàng)來(lái)控制線程數(shù)量。并行垃圾收集器也叫throughput收集器。因?yàn)樗褂昧硕郈PU加快垃圾回收性能。Parallel GC在進(jìn)行年老代垃圾收集時(shí)使用單線程。
- Parallel Old GC（-XX:+UseParallelOldGC）：和Parallel GC一樣。不同之處，Parallel Old GC在年輕代垃圾收集和年老代垃圾回收時(shí)都使用多線程收集。
- 并發(fā)標(biāo)記清除（CMS）收集器（-XX:+UseConcMarkSweepGC)：CMS收集器也被稱為短暫停頓并發(fā)收集器。它是對(duì)年老代進(jìn)行垃圾收集的。CMS收集器通過(guò)多線程并發(fā)進(jìn)行垃圾回收，盡量減少垃圾收集造成的停頓。CMS收集器對(duì)年輕代進(jìn)行垃圾回收使用的算法和Parallel收集器一樣。這個(gè)垃圾收集器適用于不能忍受長(zhǎng)時(shí)間停頓要求快速響應(yīng)的應(yīng)用?？墒褂?-XX:ParallelCMSThreads=n JVM選項(xiàng)來(lái)限制CMS收集器的線程數(shù)量。
- G1垃圾收集器（-XX:+UseG1GC) G1（Garbage First）：垃圾收集器是在Java 7后才可以使用的特性，它的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)時(shí)代替CMS收集器。G1收集器是一個(gè)并行的、并發(fā)的和增量式壓縮短暫停頓的垃圾收集器。G1收集器和其他的收集器運(yùn)行方式不一樣，不區(qū)分年輕代和年老代空間。它把堆空間劃分為多個(gè)大小相等的區(qū)域。當(dāng)進(jìn)行垃圾收集時(shí)，它會(huì)優(yōu)先收集存活對(duì)象較少的區(qū)域，因此叫“Garbage First”。你可以在Oracle Garbage-FIrst收集器文檔找到更多詳細(xì)信息。
Java垃圾收集監(jiān)控
我們可以使用命令行和圖形工具來(lái)監(jiān)控監(jiān)控應(yīng)用垃圾回收。例如，我使用Java SE下載頁(yè)中的一個(gè)demo來(lái)實(shí)驗(yàn)。
如果你想使用同樣的應(yīng)用，可以到Java SE下載頁(yè)面下載JDK 7和JavaFX演示和示例。我使用的示例應(yīng)用是Java2Demo.jar，它位于 jdk1.7.0_55/demo/jfc/Java2D 目錄下。這只是一個(gè)可選步驟，你可以運(yùn)行GC監(jiān)控命令監(jiān)控任何Java應(yīng)用。
我打開(kāi)演示應(yīng)用使用的命令是：
- pankaj@Pankaj:~/Downloads/jdk1.7.0_55/demo/jfc/Java2D$ java -Xmx120m -Xms30m -Xmn10m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseSerialGC -jar Java2Demo.jar
jsat
可以使用jstat命令行工具監(jiān)控JVM內(nèi)存和垃圾回收。標(biāo)準(zhǔn)的JDK已經(jīng)附帶了jstat，所以不需要做任何額外的事情就可以得到它。
要運(yùn)行jstat你需要知道應(yīng)用的進(jìn)程id，你可以使用 ps -eaf | grep java 命令獲取進(jìn)程id。
- pankaj@Pankaj:~$ ps -eaf | grep Java2Demo.jar
- 501 9582 11579 0 9:48PM ttys000 0:21.66 /usr/bin/java -Xmx120m -Xms30m -Xmn10m -XX:PermSize=20m -XX:MaxPermSize=20m -XX:+UseG1GC -jar Java2Demo.jar
- 501 14073 14045 0 9:48PM ttys002 0:00.00 grep Java2Demo.jar
從上面知道，我的Java應(yīng)用進(jìn)程id是9582?，F(xiàn)在可以運(yùn)行jstat命令了，就像下面展示的一樣：
- pankaj@Pankaj:~$ jstat -gc 9582 1000
- S0C S1C S0U S1U EC EU OC OU PC PU YGC YGCT FGC FGCT GCT
- 1024.0 1024.0 0.0 0.0 8192.0 7933.3 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 157 0.274 40 1.381 1.654
- 1024.0 1024.0 0.0 0.0 8192.0 8026.5 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 157 0.274 40 1.381 1.654
- 1024.0 1024.0 0.0 0.0 8192.0 8030.0 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 157 0.274 40 1.381 1.654
- 1024.0 1024.0 0.0 0.0 8192.0 8122.2 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 157 0.274 40 1.381 1.654
- 1024.0 1024.0 0.0 0.0 8192.0 8171.2 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 157 0.274 40 1.381 1.654
- 1024.0 1024.0 48.7 0.0 8192.0 106.7 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 158 0.275 40 1.381 1.656
- 1024.0 1024.0 48.7 0.0 8192.0 145.8 42108.0 23401.3 20480.0 19990.9 158 0.275 40 1.381 1.656
jstat命令的***一個(gè)參數(shù)是每個(gè)輸出的時(shí)間間隔。每隔一秒就會(huì)打印出內(nèi)存和垃圾收集數(shù)據(jù)。
讓我們一起來(lái)對(duì)每一列的意義進(jìn)行逐一了解：
- S0C和S1C：這一列展示了Survivor0和Survivor1區(qū)的當(dāng)前大小（單位KB）。
- S0U和S1U：這一列展示了當(dāng)前Survivor0和Survivor1區(qū)的使用情況（單位KB）。注意：無(wú)論任何時(shí)候，總會(huì)有一個(gè)Survivor區(qū)是空著的。
- EC和EU：這些列展示了Eden區(qū)當(dāng)前空間大小和使用情況（單位KB）。注意：EU的大小一直在增大。而且只要大小接近EC時(shí)，就會(huì)觸發(fā)Minor GC并且EU將會(huì)減小。
- OC和OU：這些列展示了年老代當(dāng)前空間大小和當(dāng)前使用情況（單位KB）。
- PC和PU：這些列展示了Perm Gen（***代）當(dāng)前空間大小和當(dāng)前使用情況（單位KB）。
- YGC和YGCT：YGC這列顯示了發(fā)生在年輕代的GC事件的數(shù)量。YGCT這列顯示了在年輕代進(jìn)行GC操作的累計(jì)時(shí)間。注意：在EU的值由于minor GC導(dǎo)致下降時(shí)，同一行的YGC和YGCT都會(huì)增加。
- FGC和FGCT：FGC列顯示了發(fā)生Full GC事件的次數(shù)。FGCT顯示了進(jìn)行Full GC操作的累計(jì)時(shí)間。注意：相對(duì)于年輕代的GC使用時(shí)間，F(xiàn)ull GC所用的時(shí)間長(zhǎng)很多。
- GCT：這一列顯示了GC操作的總累計(jì)時(shí)間。注意：總累計(jì)時(shí)間是YGCT和FGCT兩列所用時(shí)間的總和（GCT=YGCT+FGCT）。
jstat的優(yōu)點(diǎn)，我們同樣可以在沒(méi)有GUI的遠(yuǎn)程服務(wù)器上運(yùn)行jstat。注意：我們是通過(guò) -Xmn10m 選項(xiàng)來(lái)指定S0C、S1C和EC的總和為10m的。
Java VisualVM及Visual GC插件
如果你想在GUI里查看內(nèi)存和GC，那么可以使用jvisualvm工具。Java VisualVM同樣是JDK的一部分，所以你不需要單獨(dú)去下載。
在終端運(yùn)行jvisualvm命令啟動(dòng)Java VisualVM程序。一旦啟動(dòng)程序，你需要從Tools->Plugins選項(xiàng)安裝Visual GC插件，就像下面圖片展示的。
安裝完Visual GC插件后，從左邊欄打開(kāi)應(yīng)用并把視角轉(zhuǎn)到Visual GC部分。你將會(huì)得到關(guān)于JVM內(nèi)存和垃圾收集詳情，如下圖所示。
Java垃圾回收調(diào)優(yōu)
Java垃圾回收調(diào)優(yōu)應(yīng)該是提升應(yīng)用吞吐量的***一個(gè)選擇。在你發(fā)現(xiàn)應(yīng)用由于長(zhǎng)時(shí)間垃圾回收導(dǎo)致了應(yīng)用性能下降、出現(xiàn)超時(shí)的時(shí)候，應(yīng)該考慮Java垃圾收集調(diào)優(yōu)。
如果你在日志里看到 java.lang.OutOfMemoryError: PermGen space錯(cuò)誤，那么可以嘗試使用 -XX:PermGen 和 -XX:MaxPermGen JVM選項(xiàng)去監(jiān)控并增加Perm Gen內(nèi)存空間。你也可以嘗試使用-XX:+CMSClassUnloadingEnabled并查看使用CMS垃圾收集器的執(zhí)行性能。
如果你看到了大量的Full GC操作，那么你應(yīng)該嘗試增大老年代的內(nèi)存空間。
全面垃圾收集調(diào)優(yōu)要花費(fèi)大量的努力和時(shí)間，這里沒(méi)有一塵不變的硬性調(diào)優(yōu)規(guī)則。你需要去嘗試不同的選項(xiàng)并且對(duì)這些選項(xiàng)進(jìn)行對(duì)比，從而找出最適合自己應(yīng)用的方案。
這就是所有的Java內(nèi)存模型和垃圾回收內(nèi)容。希望對(duì)你理解JVM內(nèi)存和垃圾收集過(guò)程有所幫助。
原文鏈接： journaldev 翻譯： ImportNew.com - 進(jìn)林
譯文鏈接： http://www.importnew.com/14086.html
