[Java知识库]JVM--GC调优

jvm体系结构

简单学习了一下Jvm的一些知识，小结一下。
深入学习的话就要看书了。《深入理解java虚拟机》

1.jvm的位置

它是整个java实现跨平台的最核心的部分，由Java文件编译来的class文件，只有经过虚拟机解释才能被操作系统执行。
一次编译,多处运行:JVM屏蔽了与具体操作系统平台相关的信息，使得Java程序只需生成在Java虚拟机上运行的class文件（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。

2.JVM，JRE，JDK的关系:

JDK 包含 JRE,
JRE 包含 JVM

3.类加载器：

Java是运行在Java的虚拟机(JVM)中的，但是它是如何运行在JVM中了呢？我们在IDE中编写的Java源代码被编译器编译成.class的字节码文件。然后由我们得ClassLoader负责将这些class文件给加载到JVM中去执行。
JVM中提供了三层的ClassLoader：

• Bootstrap classLoader:主要负责加载核心的类库(java.lang.*等)，构造ExtClassLoader和APPClassLoader。
• ExtClassLoader：主要负责加载jre/lib/ext目录下的一些扩展的jar。
• AppClassLoader：主要负责加载应用程序的主函数类
• 另外还有：User ClassLoader 用户自定义类加载器

4.双亲委派机制

简单来说：就是当某个类加载器需要加载某个.class文件时，它首先把这个任务委托给他的上级类加载器（先找ExtClassLoader,没找到再去Bootstrap classLoader里面找），递归这个操作，如果上级的类加载器没有加载，自己才会去加载这个类。

双亲委派机制的作用：
1、防止重复加载同一个.class。通过委托去上级查看，加载过了，就不用再加载一遍。保证了数据安全。
2、保证核心.class不能被篡改。通过委托方式，不会去篡改核心.clas，即使篡改也不会去加载，即使加载也不会是同一个.class对象了。不同的加载器加载同一个.class也不是同一个Class对象。这样保证了Class执行安全。

5.native关键字

使用native关键字说明这个方法是原生函数，也就是这个方法是用C/C++语言实现的，并且被编译成了DLL，由java去调用。
这些函数的实现体在DLL中，JDK的源代码中并不包含，你应该是看不到的。对于不同的平台它们也是不同的。这也是java的底层机制，实际上java就是在不同的平台上调用不同的native方法实现对操作系统的访问的。

java是跨平台的语言，既然是跨了平台，所付出的代价就是牺牲一些对底层的控制，而java要实现对底层的控制，就需要一些其他语言的帮助，这个就是native的作用了

Java不是完美的，Java的不足除了体现在运行速度上要比传统的C++慢许多之外，Java无法直接访问到操作系统底层（如系统硬件等)，为此Java使用native方法来扩展Java程序的功能。
　　可以将native方法比作Java程序同Ｃ程序的接口，其实现步骤：
　　１、在Java中声明native()方法，然后编译；
　　２、用javah产生一个.h文件；
　　３、写一个.cpp文件实现native导出方法，其中需要包含第二步产生的.h文件（注意其中又包含了JDK带的jni.h文件）；
　　４、将第三步的.cpp文件编译成动态链接库文件；
　　５、在Java中用System.loadLibrary()方法加载第四步产生的动态链接库文件，这个native()方法就可以在Java中被访问了。

6.堆

jvm垃圾回收主要就是在堆区，这里会产生垃圾。

• Heap 堆，一个JVM实例只存在一个堆内存，堆内存的大小是可以调节的。

• 类加载器读取了类文件后，需要把类，方法，常变量放到堆内存中，保存所有引用类型的真实信息，以方便执行器执行。

• 堆内存分为三部分：

• 新生区 Young Generation Space Young/New

• 养老区 Tenure generation space Old/Tenure

• 永久区 Permanent Space Perm

堆内存逻辑上分为三部分：新生，养老，永久（元空间 : JDK8 以后名称）。

6.1新生区、养老区

• 新生区是类诞生，成长，消亡的区域，一个类在这里产生，应用，最后被垃圾回收器收集，结束生命。
• 新生区又分为两部分：伊甸区（Eden Space）和幸存者区（Survivor Space），所有的类都是在伊甸区被new出来的，幸存区有两个：0区 和 1区，当伊甸园的空间用完时，程序又需要创建对象，JVM的垃圾回收器将对伊甸园区进行垃圾回收（Minor GC）。将伊甸园中的剩余对象移动到幸存0区，若幸存0区也满了，再对该区进行垃圾回收，然后移动到1区，那如果1区也满了呢？（这里幸存0区和1区是一个互相交替的过程）再移动到养老区，若养老区也满了，那么这个时候将产生MajorGC（Full GC），进行养老区的内存清理，若养老区执行了Full GC后发现依然无法进行对象的保存，就会产生OOM异常 “OutOfMemoryError ”。如果出现 java.lang.OutOfMemoryError：java heap space异常，说明Java虚拟机的堆内存不够，原因如下：

• Java虚拟机的堆内存设置不够，可以通过参数 -Xms（初始值大小），-Xmx（最大大小）来调整。
• 代码中创建了大量大对象，并且长时间不能被垃圾收集器收集（存在被引用）或者死循环。

6.2永久区（Perm）

• 永久存储区是一个常驻内存区域，用于存放JDK自身所携带的Class，Interface的元数据，也就是说它存储的是运行环境必须的类信息，被装载进此区域的数据是不会被垃圾回收器回收掉的，关闭JVM才会释放此区域所占用的内存。
• 如果出现 java.lang.OutOfMemoryError：PermGen space，说明是 Java虚拟机对永久代Perm内存设置不够。一般出现这种情况，都是程序启动需要加载大量的第三方jar包，
  例如：在一个Tomcat下部署了太多的应用。或者大量动态反射生成的类不断被加载，最终导致Perm区被占满。

注意：

• JDK1.6之前： 有永久代，常量池1.6在方法区；
• JDK1.7： 有永久代，但是已经逐步 “去永久代”，常量池1.7在堆；
• JDK1.8及之后：无永久代，常量池1.8在元空间。

6.3堆内存调优

一些指令：

• -Xms：设置初始分配大小，默认为物理内存的 “1/64”。
• -Xmx：设置最大分配内存，默认为物理内存的 “1/4”。
• -XX:+PrintGCDetails：输出详细的GC处理日志。

IDEA中进行VM调优参数设置，然后启动。


在VM options加入以下参数

-Xms1024m -Xmx1024m -XX:+PrintGCDetails

新生区和老年区基本占满了内存

• 元空间并不在虚拟机中，而是使用本地内存。

7.GC

垃圾回收：

当Java虚拟机（VM）或.NETCLR发觉内存资源紧张的时候，就会自动地去清理无用对象（没有被引用到的对象）所占用的内存空间（这里的说法略显粗略，事实上何时清理内存是个复杂的策略）。

如果需要，可以在程序中显式地使用System.gc()/System.GC.Collect（）来强制进行一次立即的内存清理。Java提供的GC功能可以自动监测对象是否超过了作用域，从而达到自动回收内存的目的，Java的GC会自动进行管理，调用方法：System.gc()或者Runtime.getRuntime().gc();

7.1Dump内存快照

在运行java程序的时候，有时候想测试运行时占用内存情况，这时候就需要使用测试工具查看了。在eclipse里面有 EclipseMemory Analyzer tool(MAT)插件可以测试，而在idea中也有这么一个插件，就是JProfiler，一款性能瓶颈分析工具！

作用：

• 分析Dump文件，快速定位内存泄漏；
• 获得堆中对象的统计数据
• 获得对象相互引用的关系
• 采用树形展现对象间相互引用的情况

7.2安装JPro?ler

1.IDEA插件安装

2.安装JPro?ler监控软件
下载地址：jprofiler下载

3.注册

// 注册码仅供参考
L-Larry_Lau@163.com#23874-hrwpdp1sh1wrn#0620
L-Larry_Lau@163.com#36573-fdkscp15axjj6#25257
L-Larry_Lau@163.com#5481-ucjn4a16rvd98#6038
L-Larry_Lau@163.com#99016-hli5ay1ylizjj#27215
L-Larry_Lau@163.com#40775-3wle0g1uin5c1#0674

4.配置IDEA运行环境

Settings–Tools–JPro?ier–JPro?ierexecutable
选择JPro?le安装可执行文件。（如果系统只装了一个版本， 启动IDEA时会默认选择）保存

5.代码测试：

import java.util.ArrayList;
/**
 * @author subeiLY
 * @create 2021-06-08 11:13
 */
public class Demo03 {
    byte[] byteArray = new byte[1*1024*1024]; // 1M = 1024K
    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<Demo03> list = new ArrayList<>();
        int count = 0;
        try {
            while (true) {
                list.add(new Demo03());  // 问题所在
                count = count + 1;
            }
        } catch (Error e) {
            System.out.println("count:" + count);
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

6.设置vm参数 ： -Xms1m -Xmx8m -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError

7.在src同级文件下找到生成的文件

8.使用 Jpro?ler 工具分析查看
双击这个文件默认使用 Jpro?ler 进行 Open的对象！

从软件开发的角度上，dump文件就是当程序产生异常时，用来记录当时的程序状态信息（例如堆栈的状态），用于程序开发定位问题。

7.3GC四大算法

7.3.1.引用计数法

每个对象有一个引用计数器，当对象被引用一次则计数器加1，当对象引用失效一次，则计数器减1，对于计数器为0的对象意味着是垃圾对象，可以被GC回收。

目前虚拟机基本都是采用可达性算法，从GC Roots 作为起点开始搜索，那么整个连通图中的对象边都是活对象，对于GC Roots
无法到达的对象变成了垃圾回收对象，随时可被GC回收。

7.3.2.复制算法

年轻代中使用的是Minor GC，采用的就是复制算法（Copying）。

什么是复制算法？

Minor GC会把Eden中的所有活的对象都移到Survivor区域中，如果Survivor区中放不下，那么剩下的活的对象就被移动到Oldgeneration中，也就是说，一旦收集后，Eden就是变成空的了。

当对象在Eden（包括一个Survivor区域，这里假设是From区域）出生后，在经过一次MinorGC后，如果对象还存活，并且能够被另外一块Survivor区域所容纳（上面已经假设为from区域，这里应为to区域，即to区域有足够的内存空间来存储Eden 和 From区域中存活的对象），则使用复制算法将这些仍然还活着的对象复制到另外一块Survivor区域（即 to 区域）中，然后清理所使用过的Eden 以及Survivor区域（即form区域），并且将这些对象的年龄设置为1，以后对象在Survivor区，每熬过一次MinorGC，就将这个对象的年龄 +1，当这个对象的年龄达到某一个值的时候（默认是15岁，通过- XX:MaxTenuringThreshold 设定参数）这些对象就会成为老年代。

-XX:MaxTenuringThreshold 任期门槛=>设置对象在新生代中存活的次数

如何判断哪个是to区呢？一句话：谁空谁是to

原理解释：

• 年轻代中的GC，主要是复制算法（Copying）
• HotSpot JVM 把年轻代分为了三部分：一个 Eden 区 和 2 个Survivor区（from区 和 to区）。默认比例为 8:1:1，一般情况下，新创建的对象都会被分配到Eden区（一些大对象特殊处理），这些对象经过第一次Minor GC后，如果仍然存活，将会被移到Survivor区，对象在Survivor中每熬过一次Minor GC ， 年龄就会增加1岁，当它的年龄增加到一定程度时，就会被移动到年老代中，因为年轻代中的对象基本上 都是朝生夕死，所以在年轻代的垃圾回收算法使用的是复制算法！复制算法的思想就是将内存分为两块，每次只用其中一块，当这一块内存用完，就将还活着的对象复制到另外一块上面。复制算法不会产 生内存碎片！

• 因为Eden区对象一般存活率较低，一般的，使用两块10%的内存作为空闲和活动区域，而另外80%的内存，则是用来给新建对象分配内存的。一旦发生GC，将10%的from活动区间与另外80%中存活的Eden 对象转移到10%的to空闲区域，接下来，将之前的90%的内存，全部释放，以此类推；

好处：没有内存碎片；

坏处：浪费内存空间。

劣势：

复制算法它的缺点也是相当明显的。
1、他浪费了一半的内存，这太要命了。
2、如果对象的存活率很高，我们可以极端一点，假设是100%存活，那么我们需要将所有对象都复制一遍，并将所有引用地址重置一遍。复制这一工作所花费的时间，在对象存活率达到一定程度时，将会变的不可忽视，所以从以上描述不难看出。复制算法要想使用，最起码对象的存活率要非常低才行，而且 最重要的是，我们必须要克服50%的内存浪费。

7.3.3.标记清除（Mark-Sweep）

回收时，对需要存活的对象进行标记；

回收不是绿色的对象。

当堆中的有效内存空间被耗尽的时候，就会停止整个程序（也被称为stop the world），然后进行两项工作，第一项则是标记，第二项则是清除。

• 标记：从引用根节点开始标记所有被引用的对象，标记的过程其实就是遍历所有的GC Roots ，然后将所有GC Roots 可达的对象，标记为存活的对象。
• 清除： 遍历整个堆，把未标记的对象清除。

缺点：这个算法需要暂停整个应用，会产生内存碎片。两次扫描，严重浪费时间。

用通俗的话解释一下
标记/清除算法，就是当程序运行期间，若可以使用的内存被耗尽的时候，GC线程就会被触发并将程序暂停，随后将依旧存活的对象标记一遍，最终再将堆中所有没被标记的对象全部清除掉，接下来便让程序恢复运行

7.3.4标记压缩

说明：老年代一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。

什么是标记压缩？

• 在整理压缩阶段，不再对标记的对象作回收，而是通过所有存活对象都像一端移动，然后直接清除边界以外的内存。可以看到，标记的存活对象将会被整理，按照内存地址依次排列，而未被标记的内存会被 清理掉，如此一来，当我们需要给新对象分配内存时，JVM只需要持有一个内存的起始地址即可，这比维护一个空闲列表显然少了许多开销。
• 标记、整理算法 不仅可以弥补 标记、清除算法当中，内存区域分散的缺点，也消除了复制算法当中，内存减半的高额代价；

7.3.5.结合标记清除压缩

先标记清除几次，再压缩。

7.4总结

• 内存效率：复制算法 > 标记清除算法 > 标记压缩算法 （时间复杂度）；
• 内存整齐度：复制算法 = 标记压缩算法 > 标记清除算法；
• 内存利用率：标记压缩算法 = 标记清除算法 > 复制算法；

可以看出，效率上来说，复制算法是当之无愧的老大，但是却浪费了太多内存，而为了尽量兼顾上面所 提到的三个指标，标记压缩算法相对来说更平滑一些 ， 但是效率上依然不尽如人意，它比复制算法多了一个标记的阶段，又比标记清除多了一个整理内存的过程.

难道就没有一种最优算法吗？

答案： 无，没有最好的算法，只有最合适的算法 。 —————-> 分代收集算法

年轻代：（Young Gen）

• 年轻代特点是区域相对老年代较小，对象存活低。
• 这种情况复制算法的回收整理，速度是最快的。复制算法的效率只和当前存活对象大小有关，因而很适 用于年轻代的回收。而复制算法内存利用率不高的问题，通过hotspot中的两个survivor的设计得到缓解

老年代：（Tenure Gen）

• 老年代的特点是区域较大，对象存活率高！
• 这种情况，存在大量存活率高的对象，复制算法明显变得不合适。一般是由标记清除或者是标记清除与标记整理的混合实现。Mark阶段的开销与存活对象的数量成正比，这点来说，对于老年代，标记清除或 者标记整理有一些不符，但可以通过多核多线程利用，对并发，并行的形式提标记效率。Sweep阶段的 开销与所管理里区域的大小相关，但Sweep “就地处决” 的 特点，回收的过程没有对象的移动。使其相对其他有对象移动步骤的回收算法，仍然是是效率最好的，但是需要解决内存碎片的问题。

8.扩展JMM

1.什么是JMM？

Java内存模型，是java虚拟机规范中所定义的一种内存模型，Java内存模型是标准化的，屏蔽掉了底层不同计算机的区别

2.他的作用

• 作用：缓存一致性协议，用于定义数据读写的规则(遵守，找到这个规则)。
• JMM定义了线程工作内存和主内存之间的抽象关系∶线程之间的共享变量存储在主内存(Main Memory)中，每个线程都有一个私有的本地内存（Local Memory)。

解决共享对象可见性这个问题：volilate
内存交互操作有8种，虚拟机实现必须保证每一个操作都是原子的，不可在分的（对于double和long类型的变量来说，load、store、read和write操作在某些平台上允许例外）

• lock （锁定）：作用于主内存的变量，把一个变量标识为线程独占状态
• unlock （解锁）：作用于主内存的变量，它把一个处于锁定状态的变量释放出来，释放后的变量才可以被其他线程锁定
• read （读取）：作用于主内存变量，它把一个变量的值从主内存传输到线程的工作内存中，以便随后的load动作使用
• load （载入）：作用于工作内存的变量，它把read操作从主存中变量放入工作内存中
• use （使用）：作用于工作内存中的变量，它把工作内存中的变量传输给执行引擎，每当虚拟机遇到一个需要使用到变量的值，就会使用到这个指令
• assign （赋值）：作用于工作内存中的变量，它把一个从执行引擎中接受到的值放入工作内存的变量副本中
• store （存储）：作用于主内存中的变量，它把一个从工作内存中一个变量的值传送到主内存中，以便后续的write使用
• write 　（写入）：作用于主内存中的变量，它把store操作从工作内存中得到的变量的值放入主内存的变量中

JMM对这八种指令的使用，制定了如下规则：

1. 不允许read和load、store和write操作之一单独出现。即使用了read必须load，使用了store必须write
2. 不允许线程丢弃他最近的assign操作，即工作变量的数据改变了之后，必须告知主存
3. 不允许一个线程将没有assign的数据从工作内存同步回主内存
4. 一个新的变量必须在主内存中诞生，不允许工作内存直接使用一个未被初始化的变量。就是怼变量实施use、store操作之前，必须经过assign和load操作
5. 一个变量同一时间只有一个线程能对其进行lock。多次lock后，必须执行相同次数的unlock才能解锁
6. 如果对一个变量进行lock操作，会清空所有工作内存中此变量的值，在执行引擎使用这个变量前，必须重新load或assign操作初始化变量的值
7. 如果一个变量没有被lock，就不能对其进行unlock操作。也不能unlock一个被其他线程锁住的变量
8. 对一个变量进行unlock操作之前，必须把此变量同步回主内存
   这里详细上面规则
   　　JMM对这八种操作规则和对volatile的一些特殊规则就能确定哪里操作是线程安全，哪些操作是线程不安全的了。但是这些规则实在复杂，很难在实践中直接分析。所以一般我们也不会通过上述规则进行分析。