JAVA应用性能监控之JVM层GC调优
1. JVM内存结构
1.1 运行时数据区
运行时数据区是规范，内存结构是具体实现。
- 程序计数器PC Register：JVM支持多线程同时执行，每一个线程都有自己的PC Register，线程正在执行的方法叫做当前方法，如果是java代码，PC Register里面存放的就是房钱正在执行的指令的地址，如果你是C代码，则为空。
- Java虚拟机栈（Java Virtual Machine Stacks）是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧，用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口灯信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
- Java堆（Java Heap）是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块。堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。Java堆可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可。
- 方法区（Method Area）：方法区域java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常亮、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做Non-Heap（非堆），目的是与Java堆区分开来。
- 运行时常量池（Runtime Constant Pool）是方法区的一部分。Class文件中除了有类的版本、字段、方法、接口等描述信息外，还有一项信息是常量池（Constant Pool Table），用于存放编译器生成的各种字面量和符号引用，这部分内容将在类加载后进入方法区的常量池中存放。
- 本地方法栈（Native Method Stacks）与虚拟机栈所放回的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行的Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。
1.2 JVM的内存结构
CCS：压缩类空间，这个空间只有当启用了压缩类短指针时候，这个空间才会存在，在堆中分配的每一个对象，都有一个指向自己的Class的一个指针，64位的虚拟机指针的长度是64位，如果考虑性能的原因，我们可以把这个指针采用短指针方式引用，采用32位指针，所引用的class文件都存储在压缩类空间。如果不启用短指针，那么压缩类空间就不存在。 CodeCache：存放的是JIT编译后的源代码，还有JVM执行的JNI Native代码。如果没有启用JIT即时编译，或者没有引用JNI方法，这块空间不存在。 Metaspace = Class、Package、Method、Method、Field、字节码、常量池、符号引用等等。 CCS：32位指针的Class。 CodeCache：JIT编译后的本地代码、JNI使用的C代码。
实例：
启用压缩类空间：
jstat -gc 13144
禁用压缩类空间：
jstat -gc 13523
codecache也是一样操作。
-xint
常用参数：
- -Xms-Xmx
- -XX:NewSize -XX:MaxNewSize
- -XX:NewRatio -XX:SurvivorRatio
- -XX:MetaspaceSize -XX:MaxMetaspaceSize
- -XX:+UseCompressedClassPointers
- -XX:CompressedClassSpaceSize
- -XX:InitialCodeCacheSize
- -XX:ReservedCodeCacheSize
2. 垃圾回收算法
C++和Java中内存泄露区别：在C++中New了一个对象，但是将该对象的指针丢失了，这就导致这个对象占用的内存永远得不到释放，就造成了内存泄露。在JAVA中New一个对象后，这个对象的指针一直被应用程序所持有，这样垃圾回收就不能将其释放，这样就导致内存泄露。
2.1 如何确定垃圾
思想：枚举根节点，做可达性分析 根节点：类加载器、Thread、虚拟机栈的本地变量表、static成员、常亮引用、本地方法栈的变量等等。
2.2 各类算法
标记清除：算法分为“标记”和“清除”两个阶段，首先标记出所有需要回收的对象，在标记完成后统一回收所有。缺点是效率不高，标记和清除两个过程的效率都不高；产生碎片，碎片太多会导致提前GC。 复制算法：它将可用内存按照容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块。当这一块的内存用完了，就将还存活的对象复制到另外一块上面，然后再把已使用过的内存空间一次清理掉。优缺点是实现简单，运行高效，但是空间利用率低。 标记整理算法：标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象进行清理，而是让所有存活的对象都向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。优缺点是没有了内存碎片，但是整理内存比较耗时。 分代垃圾回收：Young区采用复制算法，Old区采用标记清除或者标记整理算法。
对象分配：
- 对象优先分配在Eden区。
- 大对象直接进入老年代：-XX:PretenureSizeThreshold，该参数规定多大的对象会直接分配在老年代。
- 长期存活对象进入老年代：
-XX:MaxTenuringThreshold 晋升阈值
-XX:+PrintTenuringDistribution 发生Young GC时候，打印存活对象的年龄的分布情况
-XX:TargetSurivorRatio 设置Surivor区，Young区垃圾回收后存活对象的比例，假设该值设置为80%，意味着发生一次Young GC，Surivor区存活对象为80%，这时候需要计算这些80%存活对象的平均年龄，用平均年龄和晋升阈值之间取一个最小值，如果有对象年龄大于该最小值，也会将该对象晋升到老年代。
3. 垃圾收集器
3.1 三种类型垃圾收集器
- 串行收集器Serial：Serial、Serial Old。单线程，适用于内存小的嵌入式设备。
- 并行收集器Parallel：Paralel Scavenge、Parallel Old，吞吐量优先。
- 并发收集器Concurrent：CMS、G1，停顿时间优先。
3.2 并行VS并发
- 并行是指多条垃圾收紧线程并行工作，但此时用户线程仍然处于等待状态。适合科学计算、后台处理等弱交互场景。
- 并发指用户线程与垃圾收集线程同时执行（但不一定是并行的，可能会交替执行），垃圾收集线程在执行的时候不会停顿用户程序的运行。适合对响应时间有要求的场景，比如Web。
3.3 停顿时间VS吞吐量
- 停顿时间：垃圾收集器做垃圾回收中断应用执行的时间，-XX:MaxGCPauseMillis
- 吞吐量：花在垃圾收集的时间和花在应用时间的占比。-XXGCTimeRatio=<n>，来及收集时间占：1/1+n。
3.4 如何评价一个垃圾回收器的好坏
最理想的情况下，吞吐量最大的时候，停顿时间最小。现实中，这两个指标是互斥的，GC调优时候，很大部分工作就是如何权衡这两个变量。
3.5 三种类型垃圾收集器开启与停用
串行收集器：
-XX:+UseSerialGC -XX:+UseSerialOldGC
并行收集器：
吞吐量优先， -XX:+UseParallelGC -XX:+UseParallelOldGC Server模式下的默认收集器，JVM会根据当前系统内存情况决定启用Server模式还是Client模式，内存大于2G，JVM就会认为是Server模式。 jinfo -flag UseParallelGC 21669
并发收集器：
在Java8中，有两个并发垃圾收集器，一个是CMS，一个是G1。 响应时间优先。 CMS: XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:UseParNewGC G1: -XX:UseG1GC
3.6 垃圾收集器搭配
- 有连线的是可以相互搭配使用。
- JDK8推荐使用G1，性能比较好，在Yong区和Old区都可以使用。
- 虚线表示CMS可能退化成SerialOld，空间担保分配失败。
如何选择垃圾收集器？ 官方指导垃圾收集器选取方法
- 优先调整堆的大小，让JVM自己来选择；
- 如果内存小于100M，使用串行收集器；
- 如果是单核，并没有停顿时间的要求，串行或JVM自己选；
- 如果允许停顿时间超过1秒，选择并行或JVM自己选；
- 如果响应时间非常重要，并且不能超过1秒，使用并发收集器；
3.7 两种常用垃圾收集器
3.7.1 Parallel Collector
工作原理：当发现内存不够时，暂停应用程序，启动多个垃圾回收线程来回收垃圾，垃圾回收结束后，重新启动应用程序。
-XX:+UseParallelGC 手动开启，server模式默认开启；
-XX:ParallelGCThreads=<n> 开启多少个GC线程；
CPU > 8 ，N=5/8； CPU < 8 ，N=CPU；
并行收集器的自适应特性（Parallel Collector Ergonomics），会自动调整堆得大小，来自适应调整满足我们设定的指标：
- -XX:MaxGCPauseMills=<n> 最大停顿时间；
- -XX:GCTimeRatio=<n> 吞吐量；
- -Xmx<n> 堆的大小；
优先满足停顿时间要求，然后满足吞吐量要求，如果两个都满足的话，它会减小堆得大小，来满足停顿时间的要求，直到这三个条件中有一个是满足不了的。自适应其实不是最优的，因为它需要动态调整堆得大小来满足这些条件。
动态内存调整
并行收集器在自适应的时候会动态调整内存； - -XX:YongGenerationSizeIncrement=<Y> Yong区动态调整每次增加的大小，默认20%；
- -XX:TenuredGenerationSizeIncrement=<T> Old区动态调整每次增加的大小，默认20%；
- -XX:AdaptiveSizeDecrementScaleFactor=<D> 动态减小时每次减小的大小，默认4%；
在生产环境下很少使用自适应功能，主要通过手动调整。
3.7.2 CMS Collector
并发收集 低停顿，低延迟 老年代收集器
（1）CMS垃圾收集过程
正文到此结束
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