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JVM原理

什么是jvm

java虚拟机，就是个应用程序，工作在用户态

详解

JVM是按照运行时数据的存储结构来划分内存结构的，JVM在运行java程序时，将它们划分成几种不同格式的数据，分别存储在不同的区域，这些数据统一称为运行时数据。运行时数据包括java程序本身的数据信息和JVM运行java需要的额外数据信息。

JVM运行时数据区

程序计数器–线程私有

行号，指示程序执行到哪个位置
Java虚拟机栈–线程私有
本地方法栈–线程私有

操作系统底层的方法
Java堆–线程公用

JVM内存分配

栈内存分配 -xss 默认1M

保存参数、局部变量、中间计算过程和其他数据。退出方法的时候，修改栈顶指针就可以把栈帧中的内容销毁。

栈的优点：存取速度比堆块，仅次于寄存器，栈数据可以共享。
栈的缺点：存在栈中的数据大小、生存期是在编译时就确定的，导致其缺乏灵活性。
stack out of memory
一般情况下不会溢出，方法不会写那么大
堆内存分配：
保存对象
堆的优点：动态分配内存大小，生存期不必事先告诉编译器，它是在运行期动态分配的，垃圾回收器会自动收走不再使用的空间区域。
堆的缺点：运行时动态分配内存，在分配和销毁时都要占用时间，因此堆的效率较低。
堆结构：
Young：E区，S0，S1
Old：
Permanent：

JVM堆配置参数：

概述

-Xms 初始堆大小

默认物理内存的1/64（<1GB）
-Xmx最大堆大小

默认物理内存的1/4（<1GB），实际中建议不大于4GB
一般建议设置 -Xms=-Xmx

好处是避免每次在gc后，调整堆的大小，减少系统内存分配开销
整个堆大小=年轻代大小+年老代大小+持久代大小

新生代：

新生代=1个eden区+2个survivor区
-Xmn 年轻代大小（1.4 or later）

-XX:NewSize，-XX:MaxNewSize（设置年轻代大小，1.4之前）
-XX:NewRatio

年轻代（包括E区和两个S区）与年老代的比值（除去持久代）
一般情况下设置了Xms=Xmx并且设置了Xmn的情况下，该参数不需要设置。
-XX:ServivorRatio

1个S区与E区大小的比值，默认设置为8，则1个S区占整个年轻代的1/10
新生代用来存放JVM刚分配的Java对象

老年代：

老年代=整个堆-年轻代大小-持久代大小
年轻代中经过垃圾回收没有回收掉的对象被复制到年老代
老年代存储对象比年轻代年龄大的多，而且不乏大对象（缓存）
新建的对象也有可能直接进入老年代
- 大对象，可通过启动参数设置-XX:PretnureSizeThreshold=1024（单位为字节，默认为0）来代表超过多大时就不在新生代分配，而是直接在老年代分配。
- 大的数组对象，切数组中无引用外部对象
老年代大小无配置参数

持久代：

持久代=整个堆-年轻代大小-老年代大小
-XX:PermSize -XX:MaxPermSize

设置持久代的大小，一般情况推荐把-XX:PermSize设置成-XX:MaxPermSize的值为相同的值，因为持久代大小的调整也会导致堆内存需要触发fgc。
存放Class、Method元信息，其大小与项目的规模、类、方法的数量有关。一般设置为128M就足够，设置原则是预留30%的空间。
持久代的回收方式
- 常量池中的常量，无用的类信息，常量的回收很简单，没有引用了就可以被回收
- 对于无用的类进行回收，必须保证3点：
  - 类的所有实例都已经被回收
  - 加载类的ClassLoader已经被回收
  - 类对象Class对象没有被引用（即没有通过反射引用该类的地方）

JVM内存垃圾回收：

垃圾收集算法：

引用计数算法（濒临被抛弃
根搜索算法：

从GC Roots开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链。当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明对象是不可用的。即不可达对象。
在Java语言中，GC Roots包括：
虚拟机栈中引用的对象。（大部分被回收的）
方法区中静态属性实体引用的对象。
方法区中常量引用的对象。
本地方法栈中JNI引用的对象。

垃圾回收算法：

复制算法（Copying）

当空间存活的对象比较少时，极为高效，此算法用于新生代内存回收，从E区回收到S0或S1

标记清除算法（Mark-Sweep）

产生碎片，适合老年代垃圾回收。

标记整理压缩算法（Mark-Compac）

稍慢，适合老年代垃圾回收，解决碎片问题，对象连续，成本更高

名词解释：

串行回收：gc单线程内存回收、会暂停所有用户线程，用于client端
并行回收：收集是指多个GC线程并行工作，但此时用户线程是暂停的
并发回收：是指用户线程与GC线程同时执行（不一定是并行，可能交替，但总体上是同时执行的），不需要停顿用户线程（其实CMS中用户线程还是需要停顿的，只是非常短，GC线程在另一个CPU上执行）

JVM常见的垃圾回收器：

Serial回收器（串行回收器）

是一个单线程的收集器，只能使用一个CPU或者一条线程去完成垃圾收集，在进行垃圾收集时，必须暂停所有其他工作线程，直到收集完成

-XX:+UseSerialGC来开启（新生代和老年代都开启）
使用复制算法（新生代）标记-压缩算法（老年代）
串行的、独占式的垃圾回收器
缺点：Stop-The-World

ParNew回收器（并行回收器）

也是独占式回收器，在收集过程中，应用程序全部暂停。如果是单CPU上或者并发能力较弱的系统上，还不如串行回收器性能好。

-XX:+UseParNewGC开启
-XX:ParallelGCThreads指定线程数，默认最好与CPU数量相当

新生代Parallel Scavenge回收器

吞吐量优先回收器

关注CPU吞吐量，即运行用户代码的时间/总时间，适合运行后台运算
-XX:+UserParallelGC开启，这也是在Server模式下的默认值
-XX:GCTimeRatio
-XX:MaxGCPauseMillis

老年代ParallelOld回收器

-XX:+UseParallelOldGC开启

CMS（并发标记清除）回收器

用的最广泛，标记和重新标记两个阶段仍然需要停止用户线程，但时间很快

初始标记
并发标记
重新标记
并发清除

标记-清除算法：同时它又是一个使用多线程并发回收的垃圾收集器

-XX:ParallelCMSThreads：手工设定CMS线程数量，CMS默认启动的线程数是（ParallelGCThreads+3）/4

-XX:+UseConcMarkSweepGC开启

-XX:CMSInitialtingOccupancyFraction
设置CMS收集器在老年代空间被使用多少后触发垃圾收集，默认值为68%，仅在CMS收集器时有效，-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection
由于CMS收集器会产生碎片，此参数设置在垃圾收集器后是否需要一次内存碎片整理过程，仅在CMS收集器时有效。

-XX:+CMSFullGCBeforeCompaction
设置CMS收集器在进行若干次垃圾收集后再进行一次内存碎片整理过程，通常与UseCMSCompactAtFullCollection参数一起使用

-XX:CMSInitiatingPermOccupancyFraction
设置持久代

GC性能指标

吞吐量

应用花在非GC上的时间百分比

GC负荷

花在GC时间百分比

暂停时间（看GClog）

应用划在GC stop-the-world的时间

GC频率

反应速度

从一个对象变成垃圾到这个对象被回收的时间

小结

一个交互式的应用要求暂停时间越少越好，然而，一个非交互式的应用，希望GC负荷越低越好
一个实时系统对暂停时间和GC负荷要求，都是越低越好

内存容量配置原则

年轻代大小选择

响应时间优先的应用

尽可能设大，直到接近系统的最低响应时间限制（根据实际情况选择），在此情况下，年轻代收集发生的频率也是最小的，同时减少到达老年代的对象
吞吐量优先的应用

尽可能设置大，可能到达Gbit的程度，因为对响应时间没有要求，垃圾收集可以并行进行，一般适合8CPU以上的应用
避免设置过小，当新生代设置过小时会导致
YGC次数更加频繁
可能导致YGC对象直接进入老年代，如果此时老年代满了，会触发FGC

老年代大小选择

响应时间优先的应用

使用并发垃圾收集器（CMS）设置小了会造成内存碎片，高回收频率以及应用暂停而使用传统的标记清除方式，如果堆大了，需要较长的收集时间，最优化的方案，一般参考以下数据获得：
并发垃圾收集信息、持久代并发收集次数、传统GC信息、花在年轻代和年老代回收上的时间比例
吞吐量优先的应用

一般吞吐量优先的应用都有一个很大的年轻代和一个较小的年老代。原因是，这样可以尽可能回收掉大部分短期对象，减少中期的对象，而年老代尽量存放长期存活对象。

java排障

使用jps获取java进程的pid

1	# jps -lvm

导出CPU占用高进程的线程栈

1	jstack `$pid` >> java.txt

查看对应进程的哪个线程占用CPU过高

1	# top -H -p 22056

将线程的pid转换为16进制

1	# echo "obase=16;`$pid`"\|bc