JVM效能優化 (一) 初識JVM

牧小農的夏天發表於2020-06-08

JVM優化

一、我們為什麼要對JVM做優化

在本地開發環境中我們很少會遇到需要對JVM進行優化的需求，但是到了生產環境，我們可能會有下面的需求：

執行的應用“卡住了”，日誌不輸出，程式沒有反應
伺服器的CPU負載突然升高
在多執行緒應用下，如何分配執行緒的數量？

本次使用的JDK版本為1.8

二、JVM的執行引數

在jvm中有很多的引數可以進行設定，這樣可以讓jvm在各種環境中都能夠高效的執行，絕大部分的引數保持預設即可。

2.1 三種引數型別

jvm的引數型別分為三類，分別是：

標準引數
1. -help
2. -version
-X引數（非標準引數）
1. -Xint
2. -Xcomp
-XX引數（使用率較高）
1. -XX:newSize
2. -XX:+UseSerialGC

2.2 標準引數

jvm的標準引數，一般都是很穩定的，在未來的JVM版本中不會改變，可以使用 java -help 檢索出所有的標準引數
[root@localhost ~]# java -help

用法: java [-options] class [args...]
           (執行類)
   或  java [-options] -jar jarfile [args...]
           (執行 jar 檔案)
其中選項包括:
    -d32          使用 32 位資料模型 (如果可用)
    -d64          使用 64 位資料模型 (如果可用)
    -server       選擇 "server" VM
                  預設 VM 是 server.

    -cp <目錄和 zip/jar 檔案的類搜尋路徑>
    -classpath <目錄和 zip/jar 檔案的類搜尋路徑>
                  用 ; 分隔的目錄, JAR 檔案
                  和 ZIP 檔案列表, 用於搜尋類檔案。
    -D<名稱>=<值>
                  設定系統屬性
    -verbose:[class|gc|jni]
                  啟用詳細輸出
    -version      輸出產品版本並退出
    -version:<值>
                  警告: 此功能已過時, 將在
                  未來發行版中刪除。
                  需要指定的版本才能執行
    -showversion  輸出產品版本並繼續
    -jre-restrict-search | -no-jre-restrict-search
                  警告: 此功能已過時, 將在
                  未來發行版中刪除。
                  在版本搜尋中包括/排除使用者專用 JRE
    -? -help      輸出此幫助訊息
    -X            輸出非標準選項的幫助
    -ea[:<packagename>...|:<classname>]
    -enableassertions[:<packagename>...|:<classname>]
                  按指定的粒度啟用斷言
    -da[:<packagename>...|:<classname>]
    -disableassertions[:<packagename>...|:<classname>]
                  禁用具有指定粒度的斷言
    -esa | -enablesystemassertions
                  啟用系統斷言
    -dsa | -disablesystemassertions
                  禁用系統斷言
    -agentlib:<libname>[=<選項>]
                  載入本機代理庫 <libname>, 例如 -agentlib:hprof
                  另請參閱 -agentlib:jdwp=help 和 -agentlib:hprof=help
    -agentpath:<pathname>[=<選項>]
                  按完整路徑名載入本機代理庫
    -javaagent:<jarpath>[=<選項>]
                  載入 Java 程式語言代理, 請參閱 java.lang.instrument
    -splash:<imagepath>

2.2.1 實戰

1：檢視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：通過-D設定系統屬性引數

/**
 * @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);
        }
    }
}

編譯、測試：

# 編譯
[root@localhost ~]# javac TestJvm.java 

#測試
[root@localhost ~]# java TestJvm
muxiaonong
[root@localhost ~]# java -Dstr=520 TestJvm
520

2.2.2 -server與-client引數

可以通過 -server 或 -client 設定jvm的執行引數

他們的區別是Server VM的初始堆空間會大一些，預設使用的是並行垃圾回收器，啟動慢執行快
Client VM相對來講會保守一些，初始堆空間會小一些，使用序列的垃圾回收器，它的目標是為了讓JVM的啟動速度更快，但執行速度會比Serverm模式慢些
JVM在啟動的時候會根據硬體和作業系統自動選擇使用Server還是Client的JVM
32位作業系統
1.如果是Windows系統，不論硬體配置如何，都預設使用Client型別的JVM
2.如果是其他作業系統上，機器配置有2GB以上的記憶體同時有2個以上的CPU的話預設使用server模式，否則使用client模式
64位作業系統
1. 只有server型別，不支援client型別

測試（本機是32位作業系統）：

# 引數作業系統位數
[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

#設定Jvm的執行引數
[root@localhost ~]# java -client -showversion TestJvm
[root@localhost ~]# java -server -showversion TestJvm

2.3 -X引數

jvm的 -X引數是非標準的引數，在不同版本的jvm中，引數可能會有所不用，可以通過 java -X參看非標準引數

[root@localhost ~]# java -X
    -Xmixed           混合模式執行 (預設)
    -Xint             僅解釋模式執行
    -Xbootclasspath:<用 ; 分隔的目錄和 zip/jar 檔案>
                      設定搜尋路徑以引導類和資源
    -Xbootclasspath/a:<用 ; 分隔的目錄和 zip/jar 檔案>
                      附加在引導類路徑末尾
    -Xbootclasspath/p:<用 ; 分隔的目錄和 zip/jar 檔案>
                      置於引導類路徑之前
    -Xdiag            顯示附加診斷訊息
    -Xnoclassgc       禁用類垃圾收集
    -Xincgc           啟用增量垃圾收集
    -Xloggc:<file>    將 GC 狀態記錄在檔案中 (帶時間戳)
    -Xbatch           禁用後臺編譯
    -Xms<size>        設定初始 Java 堆大小
    -Xmx<size>        設定最大 Java 堆大小
    -Xss<size>        設定 Java 執行緒堆疊大小
    -Xprof            輸出 cpu 配置檔案資料
    -Xfuture          啟用最嚴格的檢查, 預期將來的預設值
    -Xrs              減少 Java/VM 對作業系統訊號的使用 (請參閱文件)
    -Xcheck:jni       對 JNI 函式執行其他檢查
    -Xshare:off       不嘗試使用共享類資料
    -Xshare:auto      在可能的情況下使用共享類資料 (預設)
    -Xshare:on        要求使用共享類資料, 否則將失敗。
    -XshowSettings    顯示所有設定並繼續
    -XshowSettings:all
                      顯示所有設定並繼續
    -XshowSettings:vm 顯示所有與 vm 相關的設定並繼續
    -XshowSettings:properties
                      顯示所有屬性設定並繼續
    -XshowSettings:locale
                      顯示所有與區域設定相關的設定並繼續

-X 選項是非標準選項, 如有更改, 恕不另行通知。

2.3.1 -Xint、-Xcomp、-Xmixed

在解釋模式下(interpreted mode)下，-Xint標記會強制JVM執行所有的位元組碼，但是會降低執行速度，通常低10倍或更多
-Xcomp引數與它（-Xint）正好相反，JVM在第一次使用時會把所有的位元組碼編譯成原生程式碼，從而帶來最大程度的優化
1. 很多應用在使用 -Xcomp也會有一些效能損失，不過會比使用 -Xint 損失的少，原因是 -Xcomp沒有讓JVM啟動JIT編譯器的全部功能，JIT編譯器可以對是否需要編譯做判斷，如果所有程式碼進行編譯的話，對於一些只執行一次的程式碼就沒有意義了
-Xmixed是混合模式，將解釋模式與編譯模式進行混合使用，由jvm自己決定，這是jvm預設的模式，也是推薦使用的模式

示例：強勢設定執行模式

# 強制設定為解釋模式
[root@localhost ~]# java -showversion -Xint TestJvm

# 強制設定為編譯模式
# 注意：在編譯模式下，第一次執行會比
[root@localhost ~]# java -showversion -Xcomp TestJvm

# 預設的混合模式
[root@localhost ~]# java -showversion -Xmixed TestJvm

2.4 -XX引數

-XX引數也是非標準引數，主要用於jvm的調優和debug操作
-XX引數的使用有2種方式，一種是boolean型別，一種是非boolean型別：

boolean型別
1. 格式：-XX:[+-] <name> 標識啟用或禁用<name>屬性，+表示開啟，-表示關閉
2. 如：-XX:+DisableExplicitGC 表示禁用手動呼叫gc操作，也就是說呼叫System.gc()無效
非boolean型別
1. 格式：-XX:<name>=<value>表示<name>屬性的值為<value>
2. 如：-XX:NewRatio=1表示新生代和老年代的比值
是否列印GC收集細節
1. -XX:+PrintGCDetails
2. -XX:-PrintGCDetails
是否使用序列垃圾收集器
1. -XX:+UseSerialGC
2. -XX:-UserSerialGC

在這裡配置-XX:屬性值後
再啟動我們的main方法
在這裡插入圖片描述

2.5 -Xms與-Xmx引數

-Xms與-Xmx分別是設定jvm的堆記憶體的初始大小和最大大小
-Xmx2048m：等價於-XX:MaxHeapSize，設定JVM最大堆記憶體為2048M
-Xms512m：等價於-XX:InitialHeapSize，設定JVM初始堆記憶體為512M
適當的調整jvm的記憶體大小，可以充分利用伺服器資源，讓程式跑的更快
示例：

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

2.6 檢視jvm的執行引數

有些時候我們需要檢視jvm的執行引數，這個需求可能會存在2種情況：
第一，執行java命令時列印出執行引數；
第二，檢視正在執行的java程式的引數；

2.6.1 執行java命令時列印引數
java -XX:+PrintFlagsFinal -version

在上述的資訊可以看出，引數有boolean型別和數字型別，值的操作符是 =或者 :=，分別代表預設值和被修改的值

三、JVM的記憶體模型

jvm的記憶體模型在1.7和1.8有較大的區別，雖然本文中是以1.8為例進行講解，但是我們也會對1.7的記憶體模型有所瞭解。所以我們先來了解一下1.7在學習1.8的記憶體模型

3.1、jdk1.7的堆記憶體模型

Young 年輕區（代）
Young區域被劃分為三部分，Eden區和兩個大小嚴格相同的Survivor區，其中，Survivor區間中，某一時刻只有其中一個是被使用的，另外一個留做垃圾收集時複製物件用，在Eden區間變滿的時候，GC就會將存活的物件移到空閒的Survivor區間中，根據JVM的策略，在經過幾次垃圾收集後，任然存活於Survivor的物件被移動到Tenured區間。
Tenured 年老區
Tenured 區主要儲存生命週期長的物件，一般是一些老的物件，當一些物件在Young複製轉移一定的次數以後，物件就會被轉移到Tenured區，一般如果系統中用了application級別的快取，快取中的物件往往會被轉移到這一區間
Perm 永久區
Perm代主要儲存 class、method、filed物件，這部分的空間一般不會溢位，除非一次性載入了很多的類，不過在設計到熱部署的應用伺服器的時候，有時候會遇到 java.lang.OutOfMempryError：PermGen Space的錯誤，造成這個錯誤的很大原因就有可能是每次都重新部署，但是重新部署後，類的class沒有被解除安裝掉，這樣就造成了大量的class物件儲存在perm中，這種情況下，一般重新啟動應用伺服器可以解決問題
Virtual區
最大記憶體和初始記憶體的差值，就是 Virtual區

3.2、jdk1.8的堆記憶體模型

由上圖可以看出，jdk1.8的記憶體模型是由2部分組成，年輕代 + 年老代
年輕代：Eden + 2*Survivor
年老代：OldGen
在jdk1.8中變化最大的Perm區，用Metaspace（後設資料空間）進行了替換
需要特別說明的是：Metaspace所佔用的記憶體空間不是在虛擬機器內部，而是在本地記憶體空間中，這也是與1.7的永久代最大的區別所在

3.3、為什麼要廢棄1.7中的永久區？

關於為什麼會廢棄1.7中的永久區，我們在官網中可以看到說明，官網地址：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.

移除用永久代是為融合Hot Spot JVm與JRockit VM 而做出的努力，因為Jrockit沒有永久代，不需要配置永久代

在我們現實使用中，由於永久代記憶體經常不夠用或發生記憶體洩露，報出異常 java.lang.OutOfMempryError：PermGen ，因此將永久區廢棄，而改用元空間，改為了使用本地記憶體空間

3.4、通過jstat命令進行檢視堆記憶體使用情況

jstat 命令可以檢視堆記憶體各部分的使用量，以及載入類的數量，命令的格式如下：
jstat [-命令選項] [vmid] [間隔時間/毫秒] [查詢次數]

3.4.1 檢視class載入統計
[root@localhost ~]# jstat -class 20736

說明：

方法	描述
Loaded	載入class的數量
Bytes	所佔用空間大小
Unloaded	未載入數量
Bytes	未載入佔用空間
Time	時間

3.4.2 檢視編譯統計

[root@localhost ~]# jstat -compiler 20736

方法	描述
Compiled	編譯數量
Failed	失敗數量
Invalid	不可用數量
Time	時間
FailedType	失敗型別
FailedMethod	失敗的方法

3.4.3 垃圾回收統計
[root@localhost ~]# jstat -gc 20736

S0C：第一個Survivor區的大小（KB）
S1C：第二個Survivor區的大小（KB）
S0U：第一個Survivor區的使用大小（KB）
S1U：第二個Survivor區的使用大小（KB）
EC：Eden區的大小（KB）
EU：Eden區的使用大小（KB）
OC：Old區大小（KB）
OU：Old區使用大小（KB）
MC：方法區大小（KB）
MU：方法區使用大小（KB）
CCSC：壓縮類空間大小（KB）
CCSU：壓縮類空間使用大小（KB）
YGC：年輕代垃圾回收次數
YGCT：年輕代垃圾回收消耗時間
FGC：老年代垃圾回收次數
FGCT：老年代垃圾回收消耗時間
GCT ：垃圾回收消耗總時間

四、總結

到這裡文章就講完了，有疑問的兄弟可以在下面討論或留言，也祝大家在今年開開心心，健健康康，能夠擁有一份好工作，大家加油，我是牧小農！

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