JVM堆內存設置原理

2019-11-08 03:00:00

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堆內存設置

原理

JVM堆內存分為2塊：Permanent Space 和 Heap Space。Permanent 即持久代（Permanent Generation），主要存放的是java類定義信息，與垃圾收集器要收集的Java對象關系不大。Heap = { Old + NEW = {Eden, from, to} }，Old 即年老代（Old Generation），New 即年輕代（Young Generation）。年老代和年輕代的劃分對垃圾收集影響比較大。

年輕代

所有新生成的對象首先都是放在年輕代。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。年輕代一般分3個區，1個Eden區，2個Survivor區（from 和 to）。

大部分對象在Eden區中生成。當Eden區滿時，還存活的對象將被復制到Survivor區（兩個中的一個），當一個Survivor區滿時，此區的存活對象將被復制到另外一個Survivor區，當另一個Survivor區也滿了的時候，從前一個Survivor區復制過來的并且此時還存活的對象，將可能被復制到年老代。

2個Survivor區是對稱的，沒有先后關系，所以同一個Survivor區中可能同時存在從Eden區復制過來對象，和從另一個Survivor區復制過來的對象；而復制到年老區的只有從另一個Survivor區過來的對象。而且，因為需要交換的原因，Survivor區至少有一個是空的。特殊的情況下，根據程序需要，Survivor區是可以配置為多個的（多于2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。

針對年輕代的垃圾回收即 Young GC。

年老代

在年輕代中經歷了N次（可配置）垃圾回收后仍然存活的對象，就會被復制到年老代中。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。

針對年老代的垃圾回收即 Full GC。

持久代

用于存放靜態類型數據，如 Java Class, Method 等。持久代對垃圾回收沒有顯著影響。但是有些應用可能動態生成或調用一些Class，例如 hibernate CGLib 等，在這種時候往往需要設置一個比較大的持久代空間來存放這些運行過程中動態增加的類型。

所以，當一組對象生成時，內存申請過程如下：

JVM會試圖為相關Java對象在年輕代的Eden區中初始化一塊內存區域。當Eden區空間足夠時，內存申請結束。否則執行下一步。JVM試圖釋放在Eden區中所有不活躍的對象（Young GC）。釋放后若Eden空間仍然不足以放入新對象，JVM則試圖將部分Eden區中活躍對象放入Survivor區。Survivor區被用來作為Eden區及年老代的中間交換區域。當年老代空間足夠時，Survivor區中存活了一定次數的對象會被移到年老代。當年老代空間不夠時，JVM會在年老代進行完全的垃圾回收（Full GC）。Full GC后，若Survivor區及年老代仍然無法存放從Eden區復制過來的對象，則會導致JVM無法在Eden區為新生成的對象申請內存，即出現“Out of Memory”。

OOM（“Out of Memory”）異常一般主要有如下2種原因：

1. 年老代溢出，表現為：java.lang.OutOfMemoryError:Javaheapspace這是最常見的情況，產生的原因可能是：設置的內存參數Xmx過小或程序的內存泄露及使用不當問題。例如循環上萬次的字符串處理、創建上千萬個對象、在一段代碼內申請上百M甚至上G的內存。還有的時候雖然不會報內存溢出，卻會使系統不間斷的垃圾回收，也無法處理其它請求。這種情況下除了檢查程序、打印堆內存等方法排查，還可以借助一些內存分析工具，比如MAT就很不錯。2. 持久代溢出，表現為：java.lang.OutOfMemoryError:PermGenspace通常由于持久代設置過小，動態加載了大量Java類而導致溢出，解決辦法唯有將參數 -XX:MaxPermSize 調大（一般256m能滿足絕大多數應用程序需求）。將部分Java類放到容器共享區（例如Tomcat share lib）去加載的辦法也是一個思路，但前提是容器里部署了多個應用，且這些應用有大量的共享類庫。

參數說明

-Xmx3550m：設置JVM最大堆內存為3550M。-Xms3550m：設置JVM初始堆內存為3550M。此值可以設置與-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配內存。-Xss128k：設置每個線程的棧大小。JDK5.0以后每個線程棧大小為1M，之前每個線程棧大小為256K。應當根據應用的線程所需內存大小進行調整。在相同物理內存下，減小這個值能生成更多的線程。但是操作系統對一個進程內的線程數還是有限制的，不能無限生成，經驗值在3000~5000左右。需要注意的是：當這個值被設置的較大（例如>2MB）時將會在很大程度上降低系統的性能。-Xmn2g：設置年輕代大小為2G。在整個堆內存大小確定的情況下，增大年輕代將會減小年老代，反之亦然。此值關系到JVM垃圾回收，對系統性能影響較大，官方推薦配置為整個堆大小的3/8。-XX:NewSize=1024m：設置年輕代初始值為1024M。-XX:MaxNewSize=1024m：設置年輕代最大值為1024M。-XX:PermSize=256m：設置持久代初始值為256M。-XX:MaxPermSize=256m：設置持久代最大值為256M。-XX:NewRatio=4：設置年輕代（包括1個Eden和2個Survivor區）與年老代的比值。表示年輕代比年老代為1:4。-XX:SurvivorRatio=4：設置年輕代中Eden區與Survivor區的比值。表示2個Survivor區（JVM堆內存年輕代中默認有2個大小相等的Survivor區）與1個Eden區的比值為2:4，即1個Survivor區占整個年輕代大小的1/6。-XX:MaxTenuringThreshold=7：表示一個對象如果在Survivor區（救助空間）移動了7次還沒有被垃圾回收就進入年老代。如果設置為0的話，則年輕代對象不經過Survivor區，直接進入年老代，對于需要大量常駐內存的應用，這樣做可以提高效率。如果將此值設置為一個較大值，則年輕代對象會在Survivor區進行多次復制，這樣可以增加對象在年輕代存活時間，增加對象在年輕代被垃圾回收的概率，減少Full GC的頻率，這樣做可以在某種程度上提高服務穩定性。

疑問解答

-Xmn，-XX:NewSize/-XX:MaxNewSize，-XX:NewRatio 3組參數都可以影響年輕代的大小，混合使用的情況下，優先級是什么？如下：高優先級：-XX:NewSize/-XX:MaxNewSize 中優先級：-Xmn（默認等效 -Xmn=-XX:NewSize=-XX:MaxNewSize=?）低優先級：-XX:NewRatio 推薦使用-Xmn參數，原因是這個參數簡潔，相當于一次設定 NewSize/MaxNewSIze，而且兩者相等，適用于生產環境。-Xmn 配合 -Xms/-Xmx，即可將堆內存布局完成。-Xmn參數是在JDK 1.4 開始支持。

垃圾回收器選擇

JVM給出了3種選擇：串行收集器、并行收集器、并發收集器。串行收集器只適用于小數據量的情況，所以生產環境的選擇主要是并行收集器和并發收集器。

默認情況下JDK5.0以前都是使用串行收集器，如果想使用其他收集器需要在啟動時加入相應參數。JDK5.0以后，JVM會根據當前系統配置進行智能判斷。

串行收集器

-XX:+UseSerialGC：設置串行收集器。

并行收集器（吞吐量優先）

-XX:+UseParallelGC：設置為并行收集器。此配置僅對年輕代有效。即年輕代使用并行收集，而年老代仍使用串行收集。-XX:ParallelGCThreads=20：配置并行收集器的線程數，即：同時有多少個線程一起進行垃圾回收。此值建議配置與CPU數目相等。-XX:+UseParallelOldGC：配置年老代垃圾收集方式為并行收集。JDK6.0開始支持對年老代并行收集。-XX:MaxGCPauseMillis=100：設置每次年輕代垃圾回收的最長時間（單位毫秒）。如果無法滿足此時間，JVM會自動調整年輕代大小，以滿足此時間。-XX:+UseAdaptiveSizePolicy：設置此選項后，并行收集器會自動調整年輕代Eden區大小和Survivor區大小的比例，以達成目標系統規定的最低響應時間或者收集頻率等指標。此參數建議在使用并行收集器時，一直打開。

并發收集器（響應時間優先）

-XX:+UseConcMarkSweepGC：即CMS收集，設置年老代為并發收集。CMS收集是JDK1.4后期版本開始引入的新GC算法。它的主要適合場景是對響應時間的重要性需求大于對吞吐量的需求，能夠承受垃圾回收線程和應用線程共享CPU資源，并且應用中存在比較多的長生命周期對象。CMS收集的目標是盡量減少應用的暫停時間，減少Full GC發生的幾率，利用和應用程序線程并發的垃圾回收線程來標記清除年老代內存。-XX:+UseParNewGC：設置年輕代為并發收集?？膳cCMS收集同時使用。JDK5.0以上，JVM會根據系統配置自行設置，所以無需再設置此參數。-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0：由于并發收集器不對內存空間進行壓縮和整理，所以運行一段時間并行收集以后會產生內存碎片，內存使用效率降低。此參數設置運行0次Full GC后對內存空間進行壓縮和整理，即每次Full GC后立刻開始壓縮和整理內存。-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：打開內存空間的壓縮和整理，在Full GC后執行?？赡軙绊懶阅埽梢韵齼却嫠槠?。-XX:+CMSIncrementalMode：設置為增量收集模式。一般適用于單CPU情況。-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=70：表示年老代內存空間使用到70%時就開始執行CMS收集，以確保年老代有足夠的空間接納來自年輕代的對象，避免Full GC的發生。

其它垃圾回收參數

-XX:+ScavengeBeforeFullGC：年輕代GC優于Full GC執行。-XX:-DisableExplicitGC：不響應 System.gc() 代碼。-XX:+UseThreadPRiorities：啟用本地線程優先級API。即使 java.lang.Thread.setPriority() 生效，不啟用則無效。-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0：軟引用對象在最后一次被訪問后能存活0毫秒（JVM默認為1000毫秒）。-XX:TargetSurvivorRatio=90：允許90%的Survivor區被占用（JVM默認為50%）。提高對于Survivor區的使用率。

輔助信息參數設置

-XX:-CITime：打印消耗在JIT編譯的時間。-XX:ErrorFile=./hs_err_pid.log：保存錯誤日志或數據到指定文件中。-XX:HeapDumpPath=./java_pid.hprof：指定Dump堆內存時的路徑。-XX:-HeapDumpOnOutOfMemoryError：當首次遭遇內存溢出時Dump出此時的堆內存。-XX:OnError=";"：出現致命ERROR后運行自定義命令。-XX:OnOutOfMemoryError=";"：當首次遭遇內存溢出時執行自定義命令。-XX:-PrintClassHistogram：按下 Ctrl+Break 后打印堆內存中類實例的柱狀信息，同JDK的 jmap -histo 命令。-XX:-PrintConcurrentLocks：按下 Ctrl+Break 后打印線程棧中并發鎖的相關信息，同JDK的 jstack -l 命令。-XX:-PrintCompilation：當一個方法被編譯時打印相關信息。-XX:-PrintGC：每次GC時打印相關信息。-XX:-PrintGCDetails：每次GC時打印詳細信息。-XX:-PrintGCTimeStamps：打印每次GC的時間戳。-XX:-TraceClassLoading：跟蹤類的加載信息。-XX:-TraceClassLoadingPreorder：跟蹤被引用到的所有類的加載信息。-XX:-TraceClassResolution：跟蹤常量池。-XX:-TraceClassUnloading：跟蹤類的卸載信息。

關于參數名稱等

標準參數（-），所有JVM都必須支持這些參數的功能，而且向后兼容；例如：-client——設置JVM使用Client模式，特點是啟動速度比較快，但運行時性能和內存管理效率不高，通常用于客戶端應用程序或開發調試；在32位環境下直接運行Java程序默認啟用該模式。-server——設置JVM使Server模式，特點是啟動速度比較慢，但運行時性能和內存管理效率很高，適用于生產環境。在具有64位能力的JDK環境下默認啟用該模式。非標準參數（-X），默認JVM實現這些參數的功能，但是并不保證所有JVM實現都滿足，且不保證向后兼容；非穩定參數（-XX），此類參數各個JVM實現會有所不同，將來可能會不被支持，需要慎重使用；

JVM服務參數調優實戰

大型網站服務器案例

承受海量訪問的動態Web應用

服務器配置：8 CPU, 8G MEM, JDK 1.6.X

參數方案：

-server -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn1256m -Xss128k -XX:SurvivorRatio=6 -XX:MaxPermSize=256m -XX:ParallelGCThreads=8 -XX:MaxTenuringThreshold=0 -XX:+UseConcMarkSweepGC

調優說明：

-Xmx 與 -Xms 相同以避免JVM反復重新申請內存。-Xmx 的大小約等于系統內存大小的一半，即充分利用系統資源，又給予系統安全運行的空間。-Xmn1256m 設置年輕代大小為1256MB。此值對系統性能影響較大，Sun官方推薦配置年輕代大小為整個堆的3/8。-Xss128k 設置較小的線程棧以支持創建更多的線程，支持海量訪問，并提升系統性能。-XX:SurvivorRatio=6 設置年輕代中Eden區與Survivor區的比值。系統默認是8，根據經驗設置為6，則2個Survivor區與1個Eden區的比值為2:6，一個Survivor區占整個年輕代的1/8。-XX:ParallelGCThreads=8 配置并行收集器的線程數，即同時8個線程一起進行垃圾回收。此值一般配置為與CPU數目相等。-XX:MaxTenuringThreshold=0 設置垃圾最大年齡（在年輕代的存活次數）。如果設置為0的話，則年輕代對象不經過Survivor區直接進入年老代。對于年老代比較多的應用，可以提高效率；如果將此值設置為一個較大值，則年輕代對象會在Survivor區進行多次復制，這樣可以增加對象再年輕代的存活時間，增加在年輕代即被回收的概率。根據被海量訪問的動態Web應用之特點，其內存要么被緩存起來以減少直接訪問DB，要么被快速回收以支持高并發海量請求，因此其內存對象在年輕代存活多次意義不大，可以直接進入年老代，根據實際應用效果，在這里設置此值為0。-XX:+UseConcMarkSweepGC 設置年老代為并發收集。CMS（ConcMarkSweepGC）收集的目標是盡量減少應用的暫停時間，減少Full GC發生的幾率，利用和應用程序線程并發的垃圾回收線程來標記清除年老代內存，適用于應用中存在比較多的長生命周期對象的情況。

內部集成構建服務器案例

高性能數據處理的工具應用

服務器配置：1 CPU, 4G MEM, JDK 1.6.X

參數方案：

-server -XX:PermSize=196m -XX:MaxPermSize=196m -Xmn320m -Xms768m -Xmx1024m

調優說明：

-XX:PermSize=196m -XX:MaxPermSize=196m 根據集成構建的特點，大規模的系統編譯可能需要加載大量的Java類到內存中，所以預先分配好大量的持久代內存是高效和必要的。-Xmn320m 遵循年輕代大小為整個堆的3/8原則。-Xms768m -Xmx1024m 根據系統大致能夠承受的堆內存大小設置即可。在64位服務器上運行應用程序，構建執行時，用 jmap -heap 11540 命令觀察JVM堆內存狀況如下：

Attaching to process ID 11540, please wait...Debugger attached successfully.Server compiler detected.JVM version is 20.12-b01using thread-local object allocation.Parallel GC with 4 thread(s)Heap Configuration: MinHeapFreeRatio = 40 MaxHeapFreeRatio = 70 MaxHeapSize = 1073741824 (1024.0MB) NewSize = 335544320 (320.0MB) MaxNewSize = 335544320 (320.0MB) OldSize = 5439488 (5.1875MB) NewRatio = 2 SurvivorRatio = 8 PermSize = 205520896 (196.0MB) MaxPermSize = 205520896 (196.0MB)Heap Usage:PS Young GenerationEden Space: capacity = 255852544 (244.0MB) used = 101395504 (96.69828796386719MB) free = 154457040 (147.3017120361328MB) 39.63044588683081% usedFrom Space: capacity = 34144256 (32.5625MB) used = 33993968 (32.41917419433594MB) free = 150288 (0.1433258056640625MB) 99.55984397492803% usedTo Space: capacity = 39845888 (38.0MB) used = 0 (0.0MB) free = 39845888 (38.0MB) 0.0% usedPS Old Generation capacity = 469762048 (448.0MB) used = 44347696 (42.29325866699219MB) free = 425414352 (405.7067413330078MB) 9.440459523882184% usedPS Perm Generation capacity = 205520896 (196.0MB) used = 85169496 (81.22396087646484MB) free = 120351400 (114.77603912353516MB) 41.440796365543285% used

結果是比較健康的。

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