JVM分代、垃圾回收概念与一个JVM参数调优示例

前一段时间下班看了不少JVM相关资料。总结分享一下，希望对看到的人有所帮助。

大部分整理自网络，同时也可参考我的JVM分类blog：http://shensy.iteye.com/category/211309

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一、基本概念

1、现在的JVM垃圾收集主要使用分代回收算法：即把对象分为青年代，老年代，持久代，处于不同代中的对象采用不同的垃圾回收算法，例如：复制，标记整理，增量收集。

2、JVM堆中的分代：

(1)年轻代：

分为一个eden区和2个surivor区，大部分对象在eden区中生成，当eden区满时，还存活的对象将被复制到一个surivor区(surivor总有一个是空的)，当这个surivor满时，里面存活的对象将被复制到另外一个surivor(同时清空第一个surivor中的垃圾对象)，当那个surivor区也满了时，第一个surivor复制过来还存活的对象将被复制到年老区(同一个区可能同时存在从eden复制过来和从前一个surivor复制过来的对象，但复制到年老区的只有从前一个surivor过来的对象)。

(2)年老代：

一般来说年老代存放的是生命期较长的对象。

(3)持久代：

用于存放静态文件，持久代对垃圾回收没有显著影响，但有些应用可能动态生成或者调用一些class，这时需要设置一个比较大的持久代空间来存放这些运行中新增的类，持久代通过-XX:MaxPermSize=进行设置。

3、GC类型：

(1)Scavenge GC(Young GC)：

年轻代Eden区申请空间失败时,触发YOUNG GC.在堆Eden区域执行GC,清除非存活对象.把存活对象放至Survivor区,然后整理2个Survivor区.

(2)Full GC：

对整个堆进行整理，包括年轻代，年老代，永久代。FullGC比YoungGC要慢，导致FullGC原因是：

年老代被写满、永久代被写满、System.gc()被调用、上一次GC之后Heap的各域分配策略动态变化。

4、垃圾回收器：

串行收集器：应用停止，单线程进行所有回收工作。适用于单处理器的机器。

并行收集器：应用停止，多线程进行并发垃圾回收，对年轻代和年老代进行并行垃圾回收(可通过参数配置),但标记-清除为单线程。

并发收集器：大部分工作都并发进行(垃圾回收和标记-清除),垃圾回收只暂停很少的时间。在应用不停止的情况下使用独立的垃圾回收线程。即并发收集是在应用运行时进行收集。

垃圾回收起点：

垃圾回收的起点是一些根对象（java栈, 静态变量, 寄存器...）。

栈是真正进行程序执行地方，所以要获取哪些对象正在被使用，则需要从Java栈开始。同时，一个栈是与一个线程对应的，因此，如果有多个线程的话，则必须对这些线程对应的所有的栈进行检查。

基本垃圾回收算法：http://pengjiaheng.iteye.com/blog/520228

三种垃圾收集器详解：http://pengjiaheng.iteye.com/blog/528034

5、JVM结构：

程序计数器：当前线程所执行的字节码的行号指示器。每个线程独有一个计数器。该部分区域是JVM规范中唯一没有规定任何OOM Error情况的区域。

虚拟机栈：存储基本数据类型、对象引用、方法出口、局部变量，也是线程私有的。

本地方法栈：执行Native方法。

堆：存储对象，各线程共享。详情见堆介绍。

方法区：各线程共享内存、用于存储加载的类信息、常量、静态变量。

常量池：是方法区的一部分，存储编译期生成的字面量。运行期也可能将新的常量放入池中，例如：string.intern()方法。

直接内存：NIO引入基于Channel和Buffer的IO方式，可以使用Native函数库直接分配堆外内存。然后通过Java堆里面的DirectByteBuffer对象作为内存引用进行操作。

其中：

栈是运行时单位，堆是存储单位。

每个线程都有一个线程栈，该线程独享该栈内空间，存储局部变量、程序运行状态、方法返回值等。

堆是线程内共享，只存储对象。

Java中main就是栈的起始点也是程序起始点。

Java方法调用参数都是传值，传引用可以理解为传引用值。

堆和栈中，栈是程序运行最根本的东西。程序运行可以没有堆，但是不能没有栈。

堆是为栈进行数据存储服务，就是一块共享的内存。

对象引用类型：

分为强引用、软引用、弱引用和虚引用。

强引用环境下，垃圾回收时需要严格判断当前对象是否被强引用，如果被强引用，则不会被垃圾回收。

软引用一般被做为缓存来使用。与强引用的区别是，软引用在垃圾回收时，虚拟机会根据当前系统的剩余内存来决定是否对软引用进行回收。如果剩余内存比较紧张，则虚拟机会回收软引用所引用的空间；如果剩余内存相对富裕，则不会进行回收。

弱引用与软引用类似，都是作为缓存来使用。但与软引用不同，弱引用在进行垃圾回收时，是一定会被回收掉的，因此其生命周期只存在于一个垃圾回收周期内。

解决内存碎片问题：

在程序运行一段时间以后，如果不进行内存整理，就会出现零散的内存碎片。碎片最直接的问题就是会导致无法分配大块的内存空间，以及程序运行效率降低。

基本垃圾回收算法中，“复制”方式和“标记-整理”方式，都可以解决碎片的问题。

解决应用暂停问题：

并发垃圾回收算法，使用这种算法，垃圾回收线程与程序运行线程同时运行。在这种方式下，解决了暂停的问题，但是因为需要在新生成对象的同时又要回收对象，算法复杂性会大大增加，系统的处理能力也会相应降低，同时，“碎片”问题将会比较难解决。

二、JVM参数调优示例：

本示例是公司某服务器在高并发生产环境正在使用的JVM启动参数。

使用的Java版本信息：java -version

java version "1.6.0_30"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.6.0_30-b12)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 20.5-b03, mixed mode)

优化参数如下：

nohup java -Xms4g -Xmx4g -Xmn3g -Xss256k \
    -server \
    -XX:PermSize=64M \
    -XX:MaxPermSize=64M \
    -XX:+UseConcMarkSweepGC \
    -XX:+UseAdaptiveSizePolicy \
    -XX:+CMSClassUnloadingEnabled \
    -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection \
    -XX:+DisableExplicitGC \
    -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=10 \
    -XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=5 \
    -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError \
    -jar server.jar 2>&1 >/dev/null &

逐个参数进行分析：
-Xms4g：初始堆大小4g。
-Xmx4g：最大堆大小4g。
-Xmn3g：设置年轻代大小3g。
整个JVM内存大小=年轻代大小 + 年老代大小 + 持久代大小。持久代一般固定大小为64m，所以增大年轻代后，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。

-Xss256k：设置每个线程的堆栈大小256k。
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。根据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。

-server：jvm以server模式启动。
JVM Server模式与client模式启动，最主要的差别在于：-Server模式启动时，启动速度较慢(比client模式慢大概10%)，但是一旦运行起来后，性能将会有很大的提升。JVM如果不显式指定是-Server模式还是-client模式，JVM能够进行自动判断(J2SE5.0检测的根据是至少2个CPU和最低2GB内存)。
通过运行:java -version来查看jvm默认工作在什么模式。

-XX:PermSize=64M：设置永久代（方法区）初始大小
在一个jvm实例的内部，类型信息被存储在一个称为方法区的内存逻辑区中。类型信息是由类加载器在类加载时从类文件中提取出来的。类(静态)变量也存储在方法区中。

-XX:MaxPermSize=64M 设置方法区最大值。

-XX:+UseConcMarkSweepGC：设置年老代为并发收集。
并发收集器主要是保证系统的响应时间，减少垃圾收集时的停顿时间。

-XX:+UseAdaptiveSizePolicy：并行收集器会自动选择年轻代区大小和相应的Survivor区比例，以达到目标系统规定的最低响应时间或者收集频率等，此值建议使用并行收集器时，一直打开。（-XX:+UseParNewGC:设置年轻代为并行收集。可与CMS收集同时使用。JDK5.0以上，JVM会根据系统配置自行设置，所以无需再设置此值。）

-XX:+CMSClassUnloadingEnabled：设置对Perm区进行回收。
如果使用Spring/Hibernate框架大量采用cglib，导致生成的Proxy会比较多，而这些是存放在PermGen区域，SUN JDK默认情况下不会去回收，必须加上-XX:+CMSClassUnloadingEnabled -XX:+CMSPermGenSweepingEnabled参数，JDK才会去回收这部分数据。
使用并发收集器CMS（ConcMarkSweep）策略时，必须有：-XX:+CMSPermGenSweepingEnabled和-XX:+CMSClassUnloadingEnabled来配合同时启用，才可以对PermGen进行GC（
实际主要参数为：-XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+CMSClassUnloadingEnabled -XX:+CMSPermGenSweepingEnabled
）。只是参数：-XX:+CMSPermGenSweepingEnabled在JDK1.6中是不需要的。

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：打开对年老代的压缩。
可能会影响性能，但是可以消除内存碎片。

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=10：打开年老代压缩的情况下，设置10次Full GC后，对年老代进行压缩。
因为年老代的并发收集器使用标记、清除算法，所以不会对堆进行压缩。当收集器回收时，他会把相邻的空间进行合并，这样可以分配给较大的对象。但是，当堆空间较小时，运行一段时间以后，就会出现“碎片”，如果并发收集器找不到足够的空间，那么并发收集器将会停止，然后使用传统的标记、清除方式进行回收。

-XX:+DisableExplicitGC：关闭System.gc()
System.gc()强迫VM执行一个堆的“全部清扫”，全部清扫比一个常规GC操作要昂贵好几个数量级。该参数将System.gc()调用转换成一个空操作.

-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=5：调小CMSMaxAbortablePrecleanTime的值=5
CMS GC须要经过较多步骤才能完成一次GC的动作，在minor GC较为频繁的情况下，很有可能造成CMS GC尚未完成，从而造成concurrent mode failure，这种情况下，降低minor GC触发的频率是一种要领，另外一种要领则是加快CMS GC执行时间，在CMS的整个步骤中，JDK 5.0+、6.0+的有些版本在CMS-concurrent-abortable-preclean-start和CMS-concurrent-abortable-preclean这两步间有可能会耗费很长的时间，导致可回收的旧生代的对象很长时间后才被回收，这是Sun JDK CMS GC的一个bug[1]，如通过PrintGCDetails观察到这两步之间耗费了较长的时间，可以通过-XX: CMSMaxAbortablePrecleanTime配置较小的值，以保证CMS GC尽快完成对象的回收，防止concurrent mode failure的现象。

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError：
抛出OutOfMemoryError时，该命令通知JVM拍摄一个“堆转储快照”，并将其保存在一个文件中以便处理，通常使用jhat工具。可以使用相应的-XX:HeapDumpPath标志指定到保存文件的实际路径（确保文件系统和必须要有权限可以在其中写入）。 

 

其它相关命令：
nohup和最后的&：代表以后台服务方式运行，\代表shell中的换行.
-jar server.jar：执行jar包。

关于2>&1 >/dev/null：
shell中0>表示stdin标准输入;1>表示stdout标准输出;2>表示stderr错误输出;
&可以理解为是"等同于"的意思，2>&1，即表示2的输出重定向等同于1
符号> 等价于1>(系统默认为1,省略了先);所以">/dev/null"等同于"1>/dev/null"
/dev/null代表空设备文件。
该语句解释为：stderr错误输出与stdout标准输出都重定向到空设备文件，也就是不输出任何信息到终端，就是不显示任何信息。