JVM --- 堆&栈&堆参数调优

贪挽懒月

发布于 2021-03-26 11:25:04

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发布于 2021-03-26 11:25:04

文章被收录于专栏：JavaEE

一. 方法区：

线程共享的运行时内存区域，它存储了每一个类的结构信息。什么叫类的结构信息，其实就是上一篇讲类加载器时说的类的模板。也就是类的属性、构造器、方法、常量池等。而且，方法区是一种规范，不是具体实现。java7及以前的实现叫永久代，java8开始，方法区的实现叫元空间。

二. 栈：

1. 栈的基本介绍： 栈也叫栈内存，主要管java程序的运行，是线程私有的。它的生命周期是跟随线程的生命周期的，线程创建时创建，线程结束栈内存就释放。栈不存在垃圾回收。8种基本类型的变量、对象的引用变量和实例方法都是在函数的栈内存中分配的。

栈帧主要保存以下3类数据(栈帧就是方法，在java代码中它叫方法，压到栈里面就叫栈帧)：

本地变量：即输入参数、输出参数和方法内的变量；
栈操作：记录出栈、入栈的操作；
栈帧数据：类文件、方法等；

当你在main方法中调用另一个方法fun的时候，首先是main方法进栈，压到栈底，然后是fun方法进栈，等fun执行完，会自动将fun弹出，再继续执行main，最后main方法出栈。如果fun是一个没有终止条件的递归方法，那么就会不停地有fun入栈，直到栈装不下。此时会抛出一个错误：Exception in thread "main" java.lang.StackOverflowError。这就是栈内存溢出，注意，这是一个error，而不是exception。

2. 栈、堆、方法区的交互：

Person p1 = new Person();
Person p2 = new Person();

p1、p2是引用，上面说了，引用是栈中的，new Person()是在堆中完成的，Person的模板是存在方法区的，也就是，堆中new对象的时候，用的是方法区中的模板，所以能保证new出来的两个Person实例结构都是一样的。所以栈中的p1、p2存储的是实例在堆中地址值。

三. 堆：

1. 堆基本介绍：

一个JVM实例只存在一个堆，堆的内存大小可以调节，存放的是new出来的实例和数组。堆内存逻辑上分为三部分：

新生区(新生代)：占1/3的堆空间，又包括伊甸区，幸存0区(S0区，from区)，幸存1区(S1区，to区)，这三个区的内存比例为：伊甸区 : S0区 : S1区 = 8 : 1 : 1，而且，from区和to区不是固定的，谁空谁是to；
养老区(老年代)：占2/3的堆空间；
永久区(永久代)/元空间：在java7中叫永久区，java8换成了元空间，永久代是使用JVM的堆内存，而元空间是使用本机的物理内存。存放的是JDK自带的class、interface等元数据，此区域不会进行垃圾回收，关闭JVM才会释放此区域内存。

永久区/元空间是逻辑上的划分，所以物理上堆内存就是新生区 + 养老区。

2. 新生区、养老区以及GC介绍：

new出来的对象首先是在伊甸区，伊甸园嘛，生命初始的地方。伊甸区对象满了的话，就会触发轻GC，即YGC。触发YGC后，幸存者将会被复制到from区，伊甸区域会被清空。当伊甸区第二次触发YGC，就会扫描伊甸区和from区，对这两个区进行垃圾回收，经过这两次垃圾回收还存活的对象，就会被复制到to区，伊甸区和form区就会被清空，并且会把这些对象的年龄加一，当年龄达到阈值(默认是15，可通过-XX:MaxTenuringThreshold配置)时，这些对象就会被复制到养老区。此时，原先的form区是空的，原先的to区存放了历经两次YGC还存活的对象。上面说了，谁空谁就是to区，所以原先的from区现在变成了to区。这就是YGC的三个过程：复制 ---> 清空 ---> 互换。

如果养老区也满了，就会在养老区触发full GC，如果多次full GC还是没能腾出空间来，就会内存溢出，即OOM异常。

四. JVM调优

1. 基本介绍：

JVM调优，其实就是堆参数的调整。

jvm调优

先说一下这张图，Minor GC就是上面说的YGC，Major GC就是full GC，S0和S1区有双向箭头，表示它们不是固定的，谁空谁就是to区(S1区)。

常见堆参数：

-Xms：堆内存(新生区+养老区)的初始大小，默认为物理内存的1/64；
-Xmx：堆内存(新生区+养老区)的最大值，默认为物理内存的1/4；
-Xmn：新生区的大小
-XX:PermSize：永久代的初始值(jdk1.7)
-XX:MaxPermSize：永久代的最大值(jdk1.7)
-XX:MaxTenuringThreshold：设置对象在新生代中存活的次数，默认是15

2. 堆内存调优简介：

上面说了xms和xmx的默认大小，怎么证明呢？用下面的代码可以证明：

public static void main(String[] args) {
    System.out.println(Runtime.getRuntime().availableProcessors()); // cpu核数
    double xms = Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024 / 1024; // xms
    double xmx = Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024 / 1024; // xmx
    System.out.println("xms：" + xms + "MB");
    System.out.println("xmx：" + xmx + "MB");
}

16G的笔记本，打印出来的xms大概是240MB，xmx大概是3600MB。为什么打印出来的更小？因为16G内存的笔记本，实际可用的内存是不到16G的。

xms和xmx，虽然一个是初始值一个最大值，但是，生产上这两个值一定要一样，为的是避免GC程序和应用程序争抢内存，导致可用内存忽高忽低；

怎么配置这两个值呢？eclipse和idea中，点击run configuration，可以配置VM arguments，将下面这串配置进去，就可以配置xms和xmx的大小，以及打印堆的信息：

-Xms1024M -Xmx1024M -XX:+PrintGCDetails

这里将xms和xmx都配置了1024，并且打印了堆信息。配置了这些再次运行上面那段代码，就会打印出如下信息(jdk1.8)：

执行结果

从打印出来的信息可以发现，xms和xmx的配置生效了。从堆信息可以发现，堆确实上述由新生区、养老区和元空间构成，而且，新生区305664k加上养老区的699392k刚好等于981M，也说明了物理上堆只分为新生区和养老区，元空间是逻辑上的存在。

3. OOM异常：

上面说了，如果堆内存被占用满了，就会出现OOM异常。但是默认情况下xmx是内存的1/4，不容易出现这个异常。上面又说了配置这两个参数的方法，所以，我们可以将xms和xmx都配制成10M，然后再执行下面这段代码，就很容易出现OOM了。

String str = "hello";
while (true) {
    str += str + new Random().nextInt(88888888) + new Random().nextInt(99999999);
}

string类型用加号拼接，其实是new一个string然后用append方法的，所以这里会一直new对象，并且用了随机数，所以基本上都不重复的对象，不会从常量池里拿到。执行这段代码后，程序报了如下的错误：

Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
    at java.util.Arrays.copyOfRange(Arrays.java:3664)
    at java.lang.String.<init>(String.java:207)
    at java.lang.StringBuilder.toString(StringBuilder.java:407)

这就是OOM异常了，并且中报错之前，打印了GC相关信息，如下：

[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1855K->491K(2560K)] 1855K->991K(9728K), 0.0024182 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 2168K->272K(2560K)] 2668K->1753K(9728K), 0.0022543 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 1621K->272K(2560K)] 7032K->5682K(9728K), 0.0009517 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 272K->272K(2560K)] 5682K->5682K(9728K), 0.0007530 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 272K->0K(2560K)] [ParOldGen: 5410K->3170K(7168K)] 5682K->3170K(9728K), [Metaspace: 2752K->2752K(1056768K)], 0.0076104 secs] [Times: user=0.02 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 40K->32K(2560K)] 5829K->5821K(9728K), 0.0007024 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 32K->32K(1536K)] 5821K->5821K(8704K), 0.0005743 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 32K->0K(1536K)] [ParOldGen: 5789K->4479K(7168K)] 5821K->4479K(8704K), [Metaspace: 2752K->2752K(1056768K)], 0.0062029 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 20K->32K(2048K)] 7118K->7130K(9216K), 0.0007837 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Ergonomics) [PSYoungGen: 32K->0K(2048K)] [ParOldGen: 7098K->3170K(7168K)] 7130K->3170K(9216K), [Metaspace: 2752K->2752K(1056768K)], 0.0054553 secs] [Times: user=0.03 sys=0.00, real=0.01 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 20K->0K(2048K)] 5809K->5789K(9216K), 0.0003817 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] 5789K->5789K(9216K), 0.0003808 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] [ParOldGen: 5789K->5789K(7168K)] 5789K->5789K(9216K), [Metaspace: 2752K->2752K(1056768K)], 0.0040374 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] 5789K->5789K(9216K), 0.0003072 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs] 
[Full GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] [ParOldGen: 5789K->5775K(7168K)] 5789K->5775K(9216K), [Metaspace: 2752K->2752K(1056768K)], 0.0075411 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]

可以看到，这里先进行GC，然后是full GC，full GC也搞不定了，就报错了，这与上面讲的是一样的。那么打印的GC信息是什么意思呢？拿出一条来分析一下：

[
  GC (Allocation Failure)
  [PSYoungGen: 1855K->491K(2560K)]
  1855K->991K(9728K), 0.0011226 secs
] 
[
  Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs
]

我们一行一行的看，意思分别是：

表示由于分配失败发生GC；
GC发生在新生区(总内存2560K)，GC之前该区用了1855K，GC之后用了491K；
堆内存总共9728K，GC之前堆内存占用1855K，GC之后占用991K，本次GC总共耗时0.0011226秒；
最后一行是GC时用户耗时、系统耗时和实际耗时

full GC的也是一样的：

[
  Full GC (Allocation Failure) 
  [PSYoungGen: 0K->0K(2048K)] 
  [ParOldGen: 5789K->5775K(7168K)] 5789K->5775K(9216K), 
  [Metaspace: 2752K->2752K(1056768K)], 0.0075411 secs
] 
[Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]

这里的意思分别是：

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