一文帶你深入了解JVM性能調(diào)優(yōu)
一、JVM調(diào)優(yōu)的一些概念
數(shù)據(jù)類型
Java虛擬機中，數(shù)據(jù)類型可以分為兩類：基本類型和引用類型?；绢愋偷淖兞勘４嬖贾担矗核淼闹稻褪菙?shù)值本身;而引用類型的變量保存引用值。“引用值”代表了某個對象的引用，而不是對象本身，對象本身存放在這個引用值所表示的地址的位置。
基本類型包括：byte,short,int,long,char,float,double,Boolean,returnAddress
引用類型包括：類類型，接口類型和數(shù)組。
堆與棧
堆和棧是程序運行的關(guān)鍵，很有必要把他們的關(guān)系說清楚。
一文帶你深入了解JVM性能調(diào)優(yōu)以及對JVM調(diào)優(yōu)的全面總結(jié)
Java對象的大小
基本數(shù)據(jù)的類型的大小是固定的，這里就不多說了。對于非基本類型的Java對象，其大小就值得商榷。
在Java中，一個空Object對象的大小是8byte，這個大小只是保存堆中一個沒有任何屬性的對象的大小?？聪旅嬲Z句：
- Object ob = new Object();
這樣在程序中完成了一個Java對象的生命，但是它所占的空間為：4byte+8byte。4byte是上面部分所說的Java棧中保存引用的所需要的空間。而那8byte則是Java堆中對象的信息。因為所有的Java非基本類型的對象都需要默認繼承Object對象，因此不論什么樣的Java對象，其大小都必須是大于8byte。
有了Object對象的大小，我們就可以計算其他對象的大小了。
- Class NewObject {
- int count;
- boolean flag;
- Object ob;
- }
其大小為：空對象大小(8byte)+int大小(4byte)+Boolean大小(1byte)+空Object引用的大小 (4byte)=17byte。但是因為Java在對對象內(nèi)存分配時都是以8的整數(shù)倍來分，因此大于17byte的最接近8的整數(shù)倍的是24，因此此對象的大小為24byte。
這里需要注意一下基本類型的包裝類型的大小。因為這種包裝類型已經(jīng)成為對象了，因此需要把他們作為對象來看待。包裝類型的大小至少是12byte(聲明一個空Object至少需要的空間)，而且12byte沒有包含任何有效信息，同時，因為Java對象大小是8的整數(shù)倍，因此一個基本類型包裝類的大小至少是16byte。這個內(nèi)存占用是很恐怖的，它是使用基本類型的N倍(N>2)，有些類型的內(nèi)存占用更是夸張(隨便想下就知道了)。因此，可能的話應(yīng)盡量少使用包裝類。在JDK5.0以后，因為加入了自動類型裝換，因此，Java虛擬機會在存儲方面進行相應(yīng)的優(yōu)化。
引用類型
對象引用類型分為強引用、軟引用、弱引用和虛引用。
二、 JVM調(diào)優(yōu)—基本垃圾回收算法
可以從不同的的角度去劃分垃圾回收算法：
按照基本回收策略分
引用計數(shù)(Reference Counting):
比較古老的回收算法。原理是此對象有一個引用，即增加一個計數(shù)，刪除一個引用則減少一個計數(shù)。垃圾回收時，只用收集計數(shù)為0的對象。此算法最致命的是無法處理循環(huán)引用的問題。
標記-清除(Mark-Sweep):
此算法執(zhí)行分兩階段。第一階段從引用根節(jié)點開始標記所有被引用的對象，第二階段遍歷整個堆，把未標記的對象清除。此算法需要暫停整個應(yīng)用，同時，會產(chǎn)生內(nèi)存碎片。
復(fù)制(Copying):
此算法把內(nèi)存空間劃為兩個相等的區(qū)域，每次只使用其中一個區(qū)域。垃圾回收時，遍歷當前使用區(qū)域，把正在使用中的對象復(fù)制到另外一個區(qū)域中。次算法每次只處理正在使用中的對象，因此復(fù)制成本比較小，同時復(fù)制過去以后還能進行相應(yīng)的內(nèi)存整理，不會出現(xiàn)“碎片”問題。當然，此算法的缺點也是很明顯的，就是需要兩倍內(nèi)存空間。
標記-整理(Mark-Compact):
此算法結(jié)合了“標記-清除”和“復(fù)制”兩個算法的優(yōu)點。也是分兩階段，第一階段從根節(jié)點開始標記所有被引用對象，第二階段遍歷整個堆，把清除未標記對象并且把存活對象“壓縮”到堆的其中一塊，按順序排放。此算法避免了“標記-清除”的碎片問題，同時也避免了“復(fù)制”算法的空間問題。
按分區(qū)對待的方式分
增量收集(Incremental Collecting):實時垃圾回收算法，即：在應(yīng)用進行的同時進行垃圾回收。不知道什么原因JDK5.0中的收集器沒有使用這種算法的。
分代收集(Generational Collecting):基于對對象生命周期分析后得出的垃圾回收算法。把對象分為年青代、年老代、持久代，對不同生命周期的對象使用不同的算法(上述方式中的一個)進行回收?，F(xiàn)在的垃圾回收器(從J2SE1.2開始)都是使用此算法的。
按系統(tǒng)線程分
串行收集:串行收集使用單線程處理所有垃圾回收工作，因為無需多線程交互，實現(xiàn)容易，而且效率比較高。但是，其局限性也比較明顯，即無法使用多處理器的優(yōu)勢，所以此收集適合單處理器機器。當然，此收集器也可以用在小數(shù)據(jù)量(100M左右)情況下的多處理器機器上。
并行收集:并行收集使用多線程處理垃圾回收工作，因而速度快，效率高。而且理論上CPU數(shù)目越多，越能體現(xiàn)出并行收集器的優(yōu)勢。
并發(fā)收集:相對于串行收集和并行收集而言，前面兩個在進行垃圾回收工作時，需要暫停整個運行環(huán)境，而只有垃圾回收程序在運行，因此，系統(tǒng)在垃圾回收時會有明顯的暫停，而且暫停時間會因為堆越大而越長。
三、垃圾回收面臨的問題
如何區(qū)分垃圾
上面說到的“引用計數(shù)”法，通過統(tǒng)計控制生成對象和刪除對象時的引用數(shù)來判斷。垃圾回收程序收集計數(shù)為0的對象即可。但是這種方法無法解決循環(huán)引用。所以，后來實現(xiàn)的垃圾判斷算法中，都是從程序運行的根節(jié)點出發(fā)，遍歷整個對象引用，查找存活的對象。那么在這種方式的實現(xiàn)中，垃圾回收從哪兒開始的呢?即，從哪兒開始查找哪些對象是正在被當前系統(tǒng)使用的。上面分析的堆和棧的區(qū)別，其中棧是真正進行程序執(zhí)行地方，所以要獲取哪些對象正在被使用，則需要從Java棧開始。同時，一個棧是與一個線程對應(yīng)的，因此，如果有多個線程的話，則必須對這些線程對應(yīng)的所有的棧進行檢查。
同時，除了棧外，還有系統(tǒng)運行時的寄存器等，也是存儲程序運行數(shù)據(jù)的。這樣，以?；蚣拇嫫髦械囊脼槠瘘c，我們可以找到堆中的對象，又從這些對象找到對堆中其他對象的引用，這種引用逐步擴展，最終以null引用或者基本類型結(jié)束，這樣就形成了一顆以Java棧中引用所對應(yīng)的對象為根節(jié)點的一顆對象樹，如果棧中有多個引用，則最終會形成多顆對象樹。在這些對象樹上的對象，都是當前系統(tǒng)運行所需要的對象，不能被垃圾回收。而其他剩余對象，則可以視為無法被引用到的對象，可以被當做垃圾進行回收。
因此，垃圾回收的起點是一些根對象(java棧, 靜態(tài)變量, 寄存器...)。而最簡單的Java棧就是Java程序執(zhí)行的main函數(shù)。這種回收方式，也是上面提到的“標記-清除”的回收方式
如何處理碎片
由于不同Java對象存活時間是不一定的，因此，在程序運行一段時間以后，如果不進行內(nèi)存整理，就會出現(xiàn)零散的內(nèi)存碎片。碎片最直接的問題就是會導(dǎo)致無法分配大塊的內(nèi)存空間，以及程序運行效率降低。所以，在上面提到的基本垃圾回收算法中，“復(fù)制”方式和“標記-整理”方式，都可以解決碎片的問題。
如何解決同時存在的對象創(chuàng)建和對象回收問題
垃圾回收線程是回收內(nèi)存的，而程序運行線程則是消耗(或分配)內(nèi)存的，一個回收內(nèi)存，一個分配內(nèi)存，從這點看，兩者是矛盾的。因此，在現(xiàn)有的垃圾回收方式中，要進行垃圾回收前，一般都需要暫停整個應(yīng)用(即：暫停內(nèi)存的分配)，然后進行垃圾回收，回收完成后再繼續(xù)應(yīng)用。這種實現(xiàn)方式是最直接，而且最有效的解決二者矛盾的方式。
但是這種方式有一個很明顯的弊端，就是當堆空間持續(xù)增大時，垃圾回收的時間也將會相應(yīng)的持續(xù)增大，對應(yīng)應(yīng)用暫停的時間也會相應(yīng)的增大。一些對相應(yīng)時間要求很高的應(yīng)用，比如最大暫停時間要求是幾百毫秒，那么當堆空間大于幾個G時，就很有可能超過這個限制，在這種情況下，垃圾回收將會成為系統(tǒng)運行的一個瓶頸。為解決這種矛盾，有了并發(fā)垃圾回收算法，使用這種算法，垃圾回收線程與程序運行線程同時運行。在這種方式下，解決了暫停的問題，但是因為需要在新生成對象的同時又要回收對象，算法復(fù)雜性會大大增加，系統(tǒng)的處理能力也會相應(yīng)降低，同時，“碎片”問題將會比較難解決。
四、分代垃圾回收詳述(1)
為什么要分代
分代的垃圾回收策略，是基于這樣一個事實：不同的對象的生命周期是不一樣的。因此，不同生命周期的對象可以采取不同的收集方式，以便提高回收效率。
在Java程序運行的過程中，會產(chǎn)生大量的對象，其中有些對象是與業(yè)務(wù)信息相關(guān)，比如Http請求中的Session對象、線程、Socket連接，這類對象跟業(yè)務(wù)直接掛鉤，因此生命周期比較長。但是還有一些對象，主要是程序運行過程中生成的臨時變量，這些對象生命周期會比較短，比如：String對象，由于其不變類的特性，系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的這些對象，有些對象甚至只用一次即可回收。
試想，在不進行對象存活時間區(qū)分的情況下，每次垃圾回收都是對整個堆空間進行回收，花費時間相對會長，同時，因為每次回收都需要遍歷所有存活對象，但實際上，對于生命周期長的對象而言，這種遍歷是沒有效果的，因為可能進行了很多次遍歷，但是他們依舊存在。因此，分代垃圾回收采用分治的思想，進行代的劃分，把不同生命周期的對象放在不同代上，不同代上采用最適合它的垃圾回收方式進行回收。
如何分代
如圖所示
虛擬機中的共劃分為三個代：年輕代(Young Generation)、年老點(Old Generation)和持久代(Permanent Generation)。其中持久代主要存放的是Java類的類信息，與垃圾收集要收集的Java對象關(guān)系不大。年輕代和年老代的劃分是對垃圾收集影響比較大的。
年輕代:
所有新生成的對象首先都是放在年輕代的。年輕代的目標就是盡可能快速的收集掉那些生命周期短的對象。
年輕代分三個區(qū)。一個Eden區(qū)，兩個Survivor區(qū)(一般而言)。大部分對象在Eden區(qū)中生成。當Eden區(qū)滿時，還存活的對象將被復(fù)制到Survivor區(qū)(兩個中的一個)，當這個Survivor區(qū)滿時，此區(qū)的存活對象將被復(fù)制到另外一個Survivor區(qū)，當這個Survivor去也滿了的時候，從第一個Survivor區(qū)復(fù)制過來的并且此時還存活的對象，將被復(fù)制“年老區(qū)(Tenured)”。需要注意，Survivor的兩個區(qū)是對稱的，沒先后關(guān)系，所以同一個區(qū)中可能同時存在從Eden復(fù)制過來 對象，和從前一個Survivor復(fù)制過來的對象，而復(fù)制到年老區(qū)的只有從第一個Survivor去過來的對象。而且，Survivor區(qū)總有一個是空的。同時，根據(jù)程序需要，Survivor區(qū)是可以配置為多個的(多于兩個)，這樣可以增加對象在年輕代中的存在時間，減少被放到年老代的可能。
年老代:
在年輕代中經(jīng)歷了N次垃圾回收后仍然存活的對象，就會被放到年老代中。因此，可以認為年老代中存放的都是一些生命周期較長的對象。
持久代:
用于存放靜態(tài)文件，如今Java類、方法等。持久代對垃圾回收沒有顯著影響，但是有些應(yīng)用可能動態(tài)生成或者調(diào)用一些class，例如Hibernate等，在這種時候需要設(shè)置一個比較大的持久代空間來存放這些運行過程中新增的類。持久代大小通過-XX:MaxPermSize=
什么情況下觸發(fā)垃圾回收
由于對象進行了分代處理，因此垃圾回收區(qū)域、時間也不一樣。GC有兩種類型：Scavenge GC和Full GC。
Scavenge GC
一般情況下，當新對象生成，并且在Eden申請空間失敗時，就會觸發(fā)Scavenge GC，對Eden區(qū)域進行GC，清除非存活對象，并且把尚且存活的對象移動到Survivor區(qū)。然后整理Survivor的兩個區(qū)。這種方式的GC是對年輕代的Eden區(qū)進行，不會影響到年老代。因為大部分對象都是從Eden區(qū)開始的，同時Eden區(qū)不會分配的很大，所以Eden區(qū)的GC會頻繁進行。因而，一般在這里需要使用速度快、效率高的算法，使Eden去能盡快空閑出來。
Full GC
對整個堆進行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因為需要對整個對進行回收，所以比Scavenge GC要慢，因此應(yīng)該盡可能減少Full GC的次數(shù)。在對JVM調(diào)優(yōu)的過程中，很大一部分工作就是對于FullGC的調(diào)節(jié)。有如下原因可能導(dǎo)致Full GC：
- 年老代(Tenured)被寫滿
- 持久代(Perm)被寫滿
- System.gc()被顯示調(diào)用
- 上一次GC之后Heap的各域分配策略動態(tài)變化
