java内存模型,JVM参数调优技巧,GC故障解决

 2019-12-10 16:20  阅读(1226)
文章分类:Java Core

一、JVM内存区域模型是啥样?

这个是JVM大致的内存分布模型,看起来比较直观:
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1.方法区
也称”永久代” 、“非堆”, 它用于存储虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、是各个线程共享的内存区域。可以说方法区就是公共存放常量等静态的常量池。
运行时常量池: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,用于存放编译器生成的各种符号引用,这部分内容将在类加载后放到方法区的运行时常量池中。
方法区默认大小:16MB,最大值为64MB(补充:看到还有资料说是根据物理内存大小调整的,)
-XX:PermSize 设置方法区大小
-XX:MaxPermSize 设置方法区最大限制
——说明:方法区新人看的时候,容易看不明白,本人理解是方法区就是堆(heap)中的永久代,两个称呼都称呼同一种内存区
2.虚拟机栈
描述的是java方法执行的内存模型:每个方法被执行的时候 都会创建一个“栈帧”用于存储局部变量表(包括参数)、操作栈、方法出口等信息。每个方法被调用到执行完的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中从入栈到出栈的过程。声明周期与线程相同,是线程私有的。
局部变量表存放了编译器可知的各种基本数据类型(boolean、byte、char、short、int、float、long、 double)、对象引用(引用指针,并非对象本身),其中64位长度的long和double类型的数据会占用2个局部变量的空间,其余数据类型只占1个。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配,当进入一个方法时,这个方法需要在栈帧中分配多大的局部变量是完全确定的,在运行期间栈帧不会改变局部 变量表的大小空间。
栈的默认大小是1M
-Xss2m 这样设置成2M
异常:Fatal:Stack size too small
异常的引起一般是线程数目太多
3.本地方法栈
即为一些Native方法分配的stack
异常:java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread
一般也是由线程太多引起,增加栈空间,同上方法
与虚拟机栈基本类似,区别在于虚拟机栈为虚拟机执行的java方法服务,而本地方法栈则是为Native方法服务。
——说明:VM栈和native栈一般是不用调整的,使用默认即可
4.堆
也叫做java堆、GC堆是java虚拟机所管理的内存中最大的一块内存区域,也是被各个线程共享的内存区域,在JVM启动时创建。该内存区域存放了对象实例及数组(所有new的对象)。
5.程序计数器
程序计数器是一块较小的内存空间,可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器。分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。
由于Java 虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的,在任何一个确定的时刻,一个处理器(对于多核处理器来说是一个内核)只会执行一条线程中的指令。因此,为了线程切换后能恢复到正确的执行位置,每条线程都需要有一个独立的程序计数器,各条线程之间的计数器互不影响,独立存储,我们称这类内存区域为“线程私有”的内存。
如果线程正在执行的是一个Java 方法,这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址;如果正在执行的是Natvie 方法,这个计数器值则为空(Undefined)。
此内存区域是唯一一个在Java 虚拟机规范中没有规定任何OutOfMemoryError情况的区域。

二、JVM调优重点区域:堆

也叫做java堆、GC堆是java虚拟机所管理的内存中最大的一块内存区域,也是被各个线程共享的内存区域,在JVM启动时创建。该内存区域存放了对象实例及数组(所有new的对象)。

堆是垃圾收集器管理的主要区域,因此很多时候也被称做“GC 堆”。

堆的大小可以通过-Xms(最小值)和-Xmx(最大值)参数设置,-Xms为JVM启动时申请的最小内存,默认为操作系统物理内存的1/64但小于1G,-Xmx为JVM可申请的最大内存,默认为物理内存的1/4但小于1G,默认当空余堆内存小于40%时,JVM会增大Heap到-Xmx指定的大小,可通过-XX:MinHeapFreeRation=来指定这个比列;当空余堆内存大于70%时,JVM会减小heap的大小到-Xms指定的大小,可通过XX:MaxHeapFreeRation=来指定这个比列,对于运行系统,为避免在运行时频繁调整Heap的大小,通常-Xms与-Xmx的值设成一样。

如果从内存回收的角度看,由于现在收集器基本都是采用的分代收集算法,所以Java 堆中还可以细分为:新生代和老年代;
Young(年轻代)
新生代(年轻代)进一步划分为3个区域:一个相对大点的区域,称为”伊甸园区(Eden)”;两个相对小点的区域称为”From 幸存区(survivor)”和”To 幸存区(survivor)”。按照规定,新对象会首先分配在 Eden 中(如果新对象过大,会直接分配在老年代中)。在GC中,Eden 中的对象会被移动到survivor中,直至对象满足一定的年纪(定义为熬过GC的次数),会被移动到老年代。
可通过-Xmn参数来指定新生代的大小,也可以通过-XX:SurvivorRation来调整Eden Space及SurvivorSpace的大小。
老年代
用于存放经过多次新生代GC仍然存活的对象,例如缓存对象,新建的对象也有可能直接进入老年代,主要有两种情况:1、大对象,可通过启动参数设置-XX:PretenureSizeThreshold=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。2、大的数组对象,且数组中无引用外部对象。
老年代所占的内存大小为-Xmx对应的值减去-Xmn对应的值。
总结一下,对象一般出生在Eden区,年轻代GC过程中,对象在2个幸存区之间移动,如果对象存活到适当的年龄,会被移动到老年代。当对象在老年代死亡时,就需要更高级别的GC,更重量级的GC算法(复制算法不适用于老年代,因为没有多余的空间用于复制)
现在应该能理解为什么新生代大小非常重要了(译者,有另外一种说法:新生代大小并不重要,影响GC的因素主要是幸存对象的数量),如果新生代过小,会导致新生对象很快就晋升到老年代中,在老年代中对象很难被回收。如果新生代过大,会发生过多的复制过程。我们需要找到一个合适大小,不幸的是,要想获得一个合适的大小,只能通过不断的测试调优。这就需要JVM参数了

-XX:NewSize and -XX:MaxNewSize
XX:MaxNewSize=512m JVM堆区域新生代内存的最大可分配大小, 生产环境建议设为800M-1024M
就像可以通过参数(-Xms and -Xmx) 指定堆大小一样,可以通过参数指定新生代大小。设置XX:MaxNewSize 参数时,应该考虑到新生代只是整个堆的一部分,新生代设置的越大,老年代区域就会减少。一般不允许新生代比老年代还大,因为要考虑GC时最坏情况,所有对象都晋升到老年代。(译者:会发生OOM错误)-XX:MaxNewSize 最大可以设置为-Xmx/2.

考虑性能,一般会通过参数-XX:NewSize 设置新生代初始大小。如果知道新生代初始分配的对象大小(经过监控) ,这样设置会有帮助,可以节省新生代自动扩展的消耗。

-XX:NewRatio
可以设置新生代和老年代的相对大小。这种方式的优点是新生代大小会随着整个堆大小动态扩展。参数-XX:NewRatio 设置老年代与新生代的比例。例如-XX:NewRatio=3 指定老年代/新生代为3/1. 老年代占堆大小的3/4 ,新生代占1/4 .

直接内存
直接内存(Direct Memory)并不是虚拟机运行时数据区的一部分,也不是Java虚拟机规范中定义的内存区域,但是这部分内存也被频繁地使用,而且也可能导致OutOfMemoryError 异常出现,所以我们放到这里一起讲解。
在JDK 1.4 中新加入了NIO(NewInput/Output)类,引入了一种基于通道(Channel)与缓冲区(Buffer)的I/O 方式,它可以使用Native 函数库直接分配堆外内存,然后通过一个存储在Java 堆里面的DirectByteBuffer 对象作为这块内存的引用进行操作。这样能在一些场景中显著提高性能,因为避免了在Java 堆和Native 堆中来回复制数据。

堆与栈的对比
经常有人把Java 内存区分为堆内存(Heap)和栈内存(Stack),这种分法比较粗糙,Java内存区域的划分实际上远比这复杂。这种划分方式的流行只能说明大多数程序员最关注的、与对象内存分配关系最密切的内存区域是这两块。
堆很灵活,但是不安全。对于对象,我们要动态地创建、销毁,不能说后创建的对象没有销毁,先前创建的对象就不能销毁,那样的话我们的程序就寸步难行,所以Java中用堆来存储对象。而一旦堆中的对象被销毁,我们继续引用这个对象的话,就会出现著名的 NullPointerException,这就是堆的缺点——错误的引用逻辑只有在运行时才会被发现。
栈不灵活,但是很严格,是安全的,易于管理。因为只要上面的引用没有销毁,下面引用就一定还在,在大部分程序中,都是先定义的变量、引用先进栈,后定义的后进栈,同时,区块内部的变量、引用在进入区块时压栈,区块结束时出栈,理解了这种机制,我们就可以很方便地理解各种编程语言的作用域的概念了,同时这也是栈的优点——错误的引用逻辑在编译时就可以被发现。
栈–主要存放引用和基本数据类型。
堆–用来存放 new 出来的对象实例。

内存溢出和内存泄漏
内存溢出 out of memory,是指程序在申请内存时,没有足够的内存空间供其使用,出现out of memory;比如申请了一个integer,但给它存了long才能存下的数,那就是内存溢出。
内存泄露 memory leak,是指程序在申请内存后,无法释放已申请的内存空间,一次内存泄露危害可以忽略,但内存泄露堆积后果很严重,无论多少内存,迟早会被占光。
memory leak会最终会导致out ofmemory。

Java 堆内存的OutOfMemoryError异常是实际应用中最常见的内存溢出异常情况。出现Java 堆内存溢出时,异常堆栈信息“java.lang.OutOfMemoryError”会跟着进一步提示“Java heapspace”。
要解决这个区域的异常,一般的手段是首先通过内存映像分析工具(如Eclipse Memory Analyzer)对dump 出来的堆转储快照进行分析,重点是确认内存中的对象是否是必要的,也就是要先分清楚到底是出现了内存泄漏(Memory Leak)还是内存溢出(Memory Overflow)。
如果是内存泄漏,可进一步通过工具查看泄漏对象到GC Roots 的引用链。于是就能找到泄漏对象是通过怎样的路径与GC Roots 相关联并导致垃圾收集器无法自动回收它们的。掌握了泄漏对象的类型信息,以及GC Roots 引用链的信息,就可以比较准确地定位出泄漏代码的位置。
如果不存在泄漏,换句话说就是内存中的对象确实都还必须存活着,那就应当检查虚拟机的堆参数(-Xmx 与-Xms),与机器物理内存对比看是否还可以调大,从代码上检查是否存在某些对象生命周期过长、持有状态时间过长的情况,尝试减少程序运行期的内存消耗。

内存分配过程
1、JVM 会试图为相关Java对象在Eden Space中初始化一块内存区域。
2、当Eden空间足够时,内存申请结束;否则到下一步。
3、JVM 试图释放在Eden中所有不活跃的对象(这属于1或更高级的垃圾回收)。释放后若Eden空间仍然不足以放入新对象,则试图将部分Eden中活跃对象放入Survivor区。
4、Survivor区被用来作为Eden及Old的中间交换区域,当Old区空间足够时,Survivor区的对象会被移到Old区,否则会被保留在Survivor区。
5、当Old区空间不够时,JVM 会在Old区进行完全的垃圾收集(0级)。
6、完全垃圾收集后,若Survivor及Old区仍然无法存放从Eden复制过来的部分对象,导致JVM无法在Eden区为新对象创建内存区域,则出现“outofmemory”错误。

总结

名称 特征 作用 配置参数 异常
名称 特征 作用 配置参数 异常
程序计数器 占用内存小,线程私有,生命周期与线程相同 大致为字节码行号指示器
虚拟机栈 线程私有,生命周期与线程相同,使用连续的内存空间 Java方法执行的内存模型,存储局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息 -Xss StackOverflowErrorOutOfMemoryError
java堆 线程共享,生命周期与虚拟机相同,可以不使用连续的内存地址 保存对象实例,所有对象实例(包括数组)都要在堆上分配 -Xms-Xmx-Xmn OutOfMemoryError
方法区 线程共享,生命周期与虚拟机相同,可以不使用连续的内存地址 存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据 -XX:PermSize:16M-XX:MaxPermSize64M OutOfMemoryError
运行时常量池 方法区的一部分,具有动态性 存放字面量及符号引用    

jvm优化建议
本质上是减少GC的次数。
如果是频繁创建对象的应用,可以适当增加新生代大小。常量较多可以增加持久代大小。对于单例较多的对象可以增加老生代大小。比如spring应用中。

GC选择,在JDK5.0以后,JVM会根据当前系统配置进行判断。一般执行-Server命令便可以。gc包括三种策略:串行,并行,并发。
吞吐量大大应用,一般采用并行收集,开启多个线程,加快gc的是否。
响应速度高的应用,一般采用并发收集,比如应用服务器。
年老代建议配置为并发收集器,由于并发收集器不会压缩和整理磁盘碎片,因此建议配置:
-XX:+UseConcMarkSweepGC #并发收集年老代 -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=80 # 表示年老代空间到80%时就开始执行CMS -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 # 由于并发收集器不对内存空间进行压缩、整理,所以运行一段时间以后会产生“碎片”,使得运行效率降低。此参数设置运行次

内存溢出 out of memory,是指程序在申请内存时,没有足够的内存空间供其使用,出现out of memory;比如申请了一个integer,但给它存了long才能存下的数,那就是内存溢出。

内存泄露 memory leak,是指程序在申请内存后,无法释放已申请的内存空间,一次内存泄露危害可以忽略,但内存泄露堆积后果很严重,无论多少内存,迟早会被占光。其实说白了就是该内存空间使用完毕之后未回收。

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