JVM参数详解及调优浅谈

2021-10-18   

JVM参数详解

一、堆参数设置

-XX:+PrintGC 使用这个参数，虚拟机启动后，只要遇到GC就会打印日志

-XX:+UseSerialGC 配置串行回收器

-XX:+PrintGCDetails 可以查看详细信息，包括各个区的情况

-Xms 设置Java程序启动时初始化堆大小

-Xmx 设置Java程序能获得最大的堆大小

-Xmx20m -Xms5m -XX:+PrintCommandLineFlags 可以将隐式或者显示传给虚拟机的参数输出

二、新生代参数配置

-Xmn 可以设置新生代的大小，设置一个比较大的新生代会减少老年代的大小，这个参数对系统性能以及GC行为有很大的影响，新生代大小一般会设置整个堆空间的1/3到1/4左右

-XX:SurvivorRatio 用来设置新生代中eden空间和from/to空间的比例。含义：-XX:SurvivorRatio=eden/from**/**eden/to

不同的堆分布情况，对系统执行会产生一定的影响，在实际工作中，应该根据系统的特点做出合理的配置，基本策略：尽可能将对象预留在新生代，减少老年代的GC次数

除了可以设置新生代的绝对大小（-Xmn），还可以使用（-XX:NewRatio）设置新生代和老年代的比例：-XX：NewRatio=老年代/新生代

配置运行时参数：

-Xms20m -Xmx20m -Xmn1m -XX:SurvivorRatio=2 -XX:+PrintGCDetails -XX:+UseSerialGC

三、堆溢出参数配置

在Java程序在运行过程中，如果对空间不足，则会抛出内存溢出的错误（Out Of Memory）OOM，一旦这类问题发生在生产环境，则可能引起严重的业务中断，Java虚拟机提供了-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，使用该参数可以在内存溢出时导出整个堆信息，与之配合使用的还有参数-XX:HeapDumpPath，可以设置导出堆的存放路径

内存分析工具：Memory Analyzer

配置运行时参数-Xms1m -Xmx1m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=d:/Demo3.dump

四、栈参数配置

Java虚拟机提供了参数-Xss来指定线程的最大栈空间，整个参数也直接决定了函数可调用的最大深度。

配置运行时参数：-Xss1m

五、方法区参数配置

和Java堆一样，方法区是一块所有线程共享的内存区域，它用于保存系统的类信息，方法区（永久区）可以保存多少信息可以对其进行配置，在默认情况下，-XX:MaxPermSize为64M，如果系统运行时生产大量的类，就需要设置一个相对合适的方法区，以免出现永久区内存溢出的问题

-XX:PermSize=64M -XX:MaxPermSize=64M

六、直接内存参数配置

直接内存也是Java程序中非常重要的组成部分，特别是广泛用在NIO中，直接内存跳过了Java堆，使用Java程序可以直接访问原生堆空间，因此在一定程度上加快了内存空间的访问速度

但是说直接内存一定就可以提高内存访问速度也不见得，具体情况具体分析

相关配置参数：-XX:MaxDirectMemorySize，如果不设置，默认值为最大堆空间，即-Xmx。直接内存使用达到上限时，就会触发垃圾回收，如果不能有效的释放空间，就会引起系统的OOM

七、对象进入老年代的参数配置

一般而言，对象首次创建会被放置在新生代的eden区，如果没有GC介入，则对象不会离开eden区，那么eden区的对象如何进入老年代呢？

通常情况下，只要对象的年龄达到一定的大小，就会自动离开年轻代进入老年代，对象年龄是由对象经历数次GC决定的，在新生代每次GC之后如果对象没有被回收，则年龄加1

虚拟机提供了一个参数来控制新生代对象的最大年龄，当超过这个年龄范围就会晋升老年代

-XX:MaxTenuringThreshold，默认情况下为15

配置运行时参数：-Xmx64M -Xms64M -XX:+PrintGCDetails

结论：对象首次创建会被放置在新生代的eden区，因此输出结果中from和to区都为0%

根据设置MaxTenuringThreshold参数，可以指定新生代对象经过多少次回收后进入老年代。另外，大对象新生代eden区无法装入时，也会直接进入老年代。

JVM里有个参数可以设置对象的大小超过在指定的大小之后，直接晋升老年代-XX:PretenureSizeThreshold=15

参数：-Xmx1024M -Xms1024M -XX:+UseSerialGC -XX:MaxTenuringThreshold=15 -XX:+PrintGCDetails

使用PretenureSizeThreshold可以进行指定进入老年代的对象大小，但是要注意TLAB区域优先分配空间。虚拟机对于体积不大的对象 会优先把数据分配到TLAB区域中，因此就失去了在老年代分配的机会

参数：-Xmx30M -Xms30M -XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -XX:PretenureSizeThreshold=1000 -XX:-UseTLAB

八、TLAB参数配置

TLAB全称是Thread Local Allocation Buffer，即线程本地分配缓存，从名字上看是一个线程专用的内存分配区域，是为了加速对象分配对象而生的。每一个线程都会产生一个TLAB，该线程独享的工作区域，Java虚拟机使用这种TLAB区来避免多线程冲突问题，提高了对象分配的效率

TLAB空间一般不会太大，当大对象无法在TLAB分配时，则会直接分配到堆上

-XX:+UseTLAB 使用TLAB

-XX:+TLABSize 设置TLAB大小

-XX:TLABRefillWasteFraction 设置维护进入TLAB空间的单个对象大小，它是一个比例值，默认为64，即如果对象大于整个空间的1/64，则在堆创建对象

-XX:+PrintTLAB 查看TLAB信息

-XX:ResizeTLAB 自调整TLABRefillWasteFraction阈值

参数：-XX:+UseTLAB -XX:+PrintTLAB -XX:+PrintGC -XX:TLABSize=102400 -XX:-ResizeTLAB -XX:TLABRefillWasteFraction=100 -XX:-DoEscapeAnalysis -server

内存参数

参数含义默认值示例说明
-Xms初始堆大小物理内存的1/64(<1GB)-Xms1g默认(MinHeapFreeRatio参数可以调整)空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制.
-Xmx最大堆大小物理内存的1/4(<1GB)-Xmx1g默认(MaxHeapFreeRatio参数可以调整)空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆直到 -Xms的最小限制
-Xmn年轻代大小-Xmn512m注意：此处的大小是（eden+ 2 survivor space).与jmap -heap中显示的New gen是不同的。
整个堆大小=年轻代大小 + 年老代大小 + 持久代大小.
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
-XX:NewRatio年轻代与年老代的比值-XX:NewRatio=1-XX:NewRatio=4表示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
Xms=Xmx并且设置了Xmn的情况下，该参数不需要进行设置。
-XX:SurvivorRatioEden区与Survivor区的大小比值默认8:1:1设置为8,则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:8,一个Survivor区占整个年轻代的1/10
-Xss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.更具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
一般小的应用， 如果栈不是很深， 应该是128k够用的 大的应用建议使用256k。这个选项对性能影响比较大，需要严格的测试。
-XX:MetaspaceSize初始元数据空间大小
-XX:MaxMetaspaceSize=128m最大元数据空间大小

JVM调优浅谈

本次分享探讨的JVM调优是指server端运行的JVM调优，适应版本为[1.6– 1.7]，不涉及最新的1.8版本

假设线程池、连接池、程序代码等都已经做过优化，效果（系统吞吐量、响应性能）仍然不理想，我们就可以考虑JVM调优了

一、 JVM调优知识背景简介

1、堆与栈的概念

堆和栈是程序运行的关键：栈是运行时的单位，而堆是存储的单位

栈解决程序的运行问题，即程序如何执行，或者说如何处理数据；堆解决的是数据存储的问题，即数据怎么放、放在哪儿

在Java中一个线程就会相应有一个线程栈与之对应，而堆则是所有线程共享的

栈存储的信息都是跟当前线程（或程序）相关信息的，包括：局部变量、程序运行状态、方法返回值等等。堆只负责存储对象信息

简单来说：堆中存的是对象，栈中存的是基本数据类型和堆中对象的引用

2、堆模型

虚拟机中共划分为三个代：

年轻代（Young Generation）：用来存放JVM刚分配的Java对象

年老代（Old Generation）：年轻代中经过垃圾回收没有回收掉的对象将被Copy到年老代

持久代（PermGeneration）：存放Class、Method元信息，其大小跟项目的规模、类、方法的量有关

如下图所示：

3、堆内存分配策略

3.1 对象优先在Eden分配

如果Eden区不足分配对象，会做一个minorgc，回收内存，尝试分配对象，如果依然不足分配，才分配到Old区。

3.2 大对象直接进入老年代

大对象是指需要大量连续内存空间的Java对象，最典型的大对象就是那种很长的字符串及数组，虚拟机提供了一个-XX:PretenureSizeThreshold参数（超过该值，就直接进入老年代），令大于这个设置值的对象直接在老年代中分配。这样做的目的是避免在Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存）。PretenureSizeThreshold参数只对Serial和ParNew两款收集器有效。

3.3 长期存活的对象将进入老年代

在经历了多次的Minor GC后仍然存活：在触发了Minor GC后，存活对象被存入Survivor区在经历了多次MinorGC之后，如果仍然存活的话，则该对象被晋升到Old区。虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄（Age）计数器。如果对象在Eden出生并经过第一次MinorGC后仍然存活，并且能被Survivor容纳的话，将被移动到Survivor空间中，并将对象年龄设为1。对象在Survivor区中每熬过一次MinorGC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为15岁）时，就会被晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阈值，可以通过参数-XX:MaxTenuringThreshold来设置

3.4 动态对象年龄判定

为了能更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不总是要求对象的年龄必须达到MaxTenuringThreshold才能晋升老年代，如果在Survivor空间中相同年龄所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到MaxTenuringThreshold中要求的年龄

3.5 MinorGC后Survivor空间不足就直接放入Old区

3.6 空间分配担保

在发生MinorGC时，虚拟机会检测之前每次晋升到老年代的平均大小是否大于老年代的剩余空间大小，如果大于，则改为直接进行一次Full GC。如果小于，则查看HandlePromotionFailure设置是否允许担保失败；如果允许，那只会进行Minor GC；如果不允许，则也要改为进行一次Full GC。大部分情况下都还是会将HandlePromotionFailure开关打开，避免FullGC过于频繁

4、JVM垃圾回收器简介

Java 语言的一大特点就是可以进行自动垃圾回收处理，而无需开发人员过于关注内存资源的释放情况。自动垃圾收集虽然大大减轻了开发人员的工作量，但是也增加了软件系统的负担。

垃圾回收器常用的算法：

  1. 引用计数法 (Reference Counting)
  2. 标记-清除算法 (Mark-Sweep)
  3. 复制算法 (Copying)
  4. 标记-压缩算法 (Mark-Compact)
  5. 增量算法 (Incremental Collecting)
  6. 分代 (Generational Collecting)

从不同角度分析垃圾收集器，可以将其分为不同的类型。

  1. 按线程数分，可以分为串行垃圾回收器和并行垃圾回收器；
  2. 按照工作模式分，可以分为并发式垃圾回收器和独占式垃圾回收器；
  3. 按碎片处理方式可分为压缩式垃圾回收器和非压缩式垃圾回收器；
  4. 按工作的内存区间，又可分为新生代垃圾回收器和老年代垃圾回收器。

JVM默认的垃圾回收器是Parallel GC垃圾回收器，搭配为ParallelGC + ParallelOldGC ，满足一般场景下JVM垃圾回收。

可以用以下指标评价一个垃圾处理器的好坏：

  1. 吞吐量；
  2. 垃圾回收器负载；
  3. 停顿时间；
  4. 垃圾回收频率；
  5. 反应时间；
  6. 堆分配

5、 CMS(Concurrent Mark-Sweep)垃圾回收器简介

CMS(Concurrent Mark-Sweep)是以牺牲吞吐量为代价来获得最短回收停顿时间的垃圾回收器。对于要求服务器响应速度的应用上，这种垃圾回收器非常适合。在启动JVM参数加上-XX:+UseConcMarkSweepGC ，这个参数表示对于老年代的回收采用CMS。CMS采用的基础算法是：标记—清除

CMS适应场景：

  1. 相对较多存活时间较长的对象(老年代比较大)；
  2. 服务器响应性能要求高；

6、 JVM GC组合方式

二、 JVM调优参数简介

1、 JVM参数简介

-XX 参数被称为不稳定参数，之所以这么叫是因为此类参数的设置很容易引起JVM 性能上的差异，使JVM 存在极大的不稳定性。如果此类参数设置合理将大大提高JVM 的性能及稳定性

不稳定参数语法规则：

1.1 布尔类型参数值

-XX:+[option] '+'表示启用该选项

-XX:-[option] '-'表示关闭该选项

1.2 数字类型参数值

-XX:[option]=[number] 给选项设置一个数字类型值，可跟随单位，例如：'m'或'M'表示兆字节;'k'或'K'千字节;'g'或'G'千兆字节。32K与32768是相同大小的。

1.3 字符串类型参数值

-XX:[option]=[string] 给选项设置一个字符串类型值，通常用于指定一个文件、路径或一系列命令列表。例如：-XX:HeapDumpPath=./dump.core

2、 JVM参数示例

配置： -Xmx4g –Xms4g –Xmn1200m –Xss512k -XX:NewRatio=4 -XX:SurvivorRatio=8 -XX:PermSize=100m

-XX:MaxPermSize=256m -XX:MaxTenuringThreshold=15

解析：

-Xmx4g：堆内存最大值为4GB

-Xms4g：初始化堆内存大小为4GB

-Xmn1200m：设置年轻代大小为1200MB。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

-Xss512k：设置每个线程的堆栈大小。JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1MB，以前每个线程堆栈大小为256K。应根据应用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

-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=8：设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。设置为8，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:8，一个Survivor区占整个年轻代的1/10

-XX:PermSize=100m：初始化永久代大小为100MB

-XX:MaxPermSize=256m：设置持久代大小为256MB

-XX:MaxTenuringThreshold=15：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，这样可以增加对象再年轻代的存活时间，增加在年轻代即被回收的概论

三、 JVM调优目标

1、何时需要做jvm调优？什么情况下需要对jvm做调优？

  1. heap 内存（老年代）持续上涨达到设置的最大内存值；
  2. Full GC 次数频繁；
  3. GC 停顿时间过长（超过1秒）；
  4. 应用出现OutOfMemory 等内存异常；
  5. 应用中有使用本地缓存且占用大量内存空间；
  6. 系统吞吐量与响应性能不高或下降。

2、JVM调优原则

  1. 多数的Java应用不需要在服务器上进行JVM优化；
  2. 多数导致GC问题的Java应用，都不是因为我们参数设置错误，而是代码问题；
  3. 在应用上线之前，先考虑将机器的JVM参数设置到最优（最适合）；
  4. 减少创建对象的数量；
  5. 减少使用全局变量和大对象；
  6. JVM优化是到最后不得已才采用的手段；
  7. 在实际使用中，分析GC情况优化代码比优化JVM参数更好；

3、JVM调优目标

  1. GC低停顿；
  2. GC低频率；
  3. 低内存占用；
  4. 高吞吐量;

JVM调优量化目标（示例）：

  1. Heap 内存使用率 <= 70%;
  2. Old generation内存使用率<= 70%;
  3. avgpause <= 1秒;
  4. Full gc 次数0 或 avg pause interval >= 24小时 ;

注意：不同应用，其JVM调优量化目标是不一样的

四、 JVM调优经验

1、JVM调优经验总结

JVM调优的一般步骤为：

第1步：分析GC日志及dump文件，判断是否需要优化，确定瓶颈问题点；

第2步：确定JVM调优量化目标；

第3步：确定JVM调优参数（根据历史JVM参数来调整）；

第4步：调优一台服务器，对比观察调优前后的差异；

第5步：不断的分析和调整，直到找到合适的JVM参数配置；

第6步：找到最合适的参数，将这些参数应用到所有服务器，并进行后续跟踪。

2、JVM调优重要参数解析

注意：不同应用，其JVM最佳稳定参数配置是不一样的

配置： -server

-Xms12g -Xmx12g -XX:PermSize=500m -XX:MaxPermSize=1000m -Xmn2400m -XX:SurvivorRatio=1 -Xss512k -XX:MaxDirectMemorySize=1G

-XX:+DisableExplicitGC -XX:CompileThreshold=8000 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC

-XX:+UseCompressedOops -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=60 -XX:ConcGCThreads=4

-XX:MaxTenuringThreshold=10 -XX:ParallelGCThreads=8

-XX:+ParallelRefProcEnabled -XX:+CMSClassUnloadingEnabled -XX:+CMSParallelRemarkEnabled

-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=500 -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=4 -XX:+UseCMSInitiatingOccupancyOnly -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:/weblogic/gc/gc_$$.log

重要参数（可调优）解析：

-Xms12g：初始化堆内存大小为12GB

-Xmx12g：堆内存最大值为12GB

-Xmn2400m：新生代大小为2400MB，包括 Eden区与2个Survivor区

-XX:SurvivorRatio=1：Eden区与一个Survivor区比值为1:1

-XX:MaxDirectMemorySize=1G：直接内存。报java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory 异常可以上调这个值

-XX:+DisableExplicitGC：禁止运行期显式地调用 System.gc() 来触发fulll GC

注意: Java RMI的定时GC触发机制可通过配置-Dsun.rmi.dgc.server.gcInterval=86400来控制触发的时间

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=60：老年代内存回收阈值，默认值为68

-XX:ConcGCThreads=4：CMS垃圾回收器并行线程线，推荐值为CPU核心数

-XX:ParallelGCThreads=8：新生代并行收集器的线程数

-XX:MaxTenuringThreshold=10：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，这样可以增加对象再年轻代的存活时间，增加在年轻代即被回收的概论

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=4：指定进行多少次fullGC之后，进行tenured区 内存空间压缩。

-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=500：当abortable-preclean预清理阶段执行达到这个时间时就会结束

3、触发Full GC的场景及应对策略

年轻代空间（包括 Eden 和 Survivor 区域）回收内存被称为 Minor GC，对老年代GC称为MajorGC，而Full GC是对整个堆来说的，在最近几个版本的JDK里默认包括了对永生带即方法区的回收（JDK8中无永生带了），出现Full GC的时候经常伴随至少一次的Minor GC,但非绝对的。MajorGC的速度一般会比Minor GC慢10倍以上

触发Full GC的场景及应对策略：

  1. System.gc()方法的调用，应对策略：通过-XX:+DisableExplicitGC来禁止调用System.gc ;
  2. 老年代代空间不足，应对策略：让对象在Minor GC阶段被回收，让对象在新生代多存活一段时间，不要创建过大的对象及数组;
  3. 永生区空间不足，应对策略：增大PermGen空间
  4. GC时出现promotionfailed和concurrent mode failure，应对策略：增大survivor space
  5. Minor GC后晋升到旧生代的对象大小大于老年代的剩余空间，应对策略：增大Tenured space 或下调CMSInitiatingOccupancyFraction=60
  6. 内存持续增涨达到上限导致Full GC ，应对策略：通过dumpheap 分析是否存在内存泄漏

4、Gc日志分析工具

借助GCViewer日志分析工具，可以非常直观地分析出待调优点。可从以下几方面来分析：

  1. Memory, 分析 Totalheap 、 Tenuredheap 、 Youngheap 内存占用率及其他指标，理论上内存占用率越小越好 ；
  2. Pause , 分析 Gc pause 、 Full gc pause 、 Total pause 三个大项中各指标，理论上 GC 次数越少越好， GC 时长越小越好
  3. MAT 堆内存分析工具：EclipseMemory Analysis Tools (MAT) 是一个分析Java堆数据的专业工具，用它可以定位内存泄漏的原因

Q.E.D.