知晓JVM系列（二）：JVM内存管理机制与优化初探

1.GC初探：

    JVM的堆内存是程序开发常用到一块可以自己操作的内存区域，我们经常使用new产生的实例都存放在这片区域。正因为这块区域的自由度极高，所以管理起来也是相当的麻烦，所以JVM才设计了这一个GC机制帮助程序员进行内存管理，减少程序员手动的去管理内存带来的不必要的麻烦，提高内存使用效率和安全性。

   JVM内存大小：限制于实际的最大物理内存，其限制因素跟其寄宿的操作系统的位数有关。JVM堆内存的初始分配由-Xms指定，默认是物理内存的1/64；JVM最大分配的内存由 -Xmx指定，默认是物理内存的1/4。默认空余堆内存小于40%时，JVM就会增大堆直到-Xmx的最大限制；空余堆内存大于70%时，JVM会减少堆 直到-Xms的最小限制

   JVM堆内存结构如下：

 JVM内存分配方式:

    1、对象优先在EDEN分配

    2、大对象直接进入老年代 
    3、长期存活的对象将进入老年代 
    4、适龄对象也可能进入老年代：动态对象年龄判断

     GC（Garbage Collection）机制主要针对的是JVM中的堆内存，GC不会对非堆内存进行清理和回收。GC的回收内存机制是根据JVM堆内存模型来设计的，而整个堆内存模型的空间分配是满足对象的生命周期模型的。所以GC机制主要操作的内存区域有Eden pool、survivor from、survivor to、Tenured这四块内存区域，Eden与survivor同属于一个代区：Youth generation ，Tenured 属于Old generation。

2.常见GC算法:

       注：GC不是固定的，在不同的环境下，其实现原理和算法不一样。如net与jvm

        1.    引用计数（Reference Counting） 

               比较古老的回收算法。原理是此对象有一个引用，即增加一个计数，删除一个引用则减少一个计数。垃圾回收时，只用收集计数为0的对象。此算法最致命的是无法处理循环引用的问题。 
        2.    标记-清除（Mark-Sweep） 

               此算法执行分两阶段。第一阶段从引用根节点开始标记所有被引用的对象，第二阶段遍历整个堆，把未标记的对象清除。此算法需要暂停整个应用，同时，会产生内存碎片。 
        3.    复制（Copying） 
               此 算法把内存空间划为两个相等的区域，每次只使用其中一个区域。垃圾回收时，遍历当前使用区域，把正在使用中的对象复制到另外一个区域中。次算法每次只处理 正在使用中的对象，因此复制成本比较小，同时复制过去以后还能进行相应的内存整理，不过出现“碎片”问题。当然，此算法的缺点也是很明显的，就是需要两倍 内存空间。 
       4.    标记-整理（Mark-Compact） 
              此算法结合了“标记-清除”和“复 制”两个算法的优点。也是分两阶段，第一阶段从根节点开始标记所有被引用对象，第二阶段遍历整个堆，把清除未标记对象并且把存活对象“压缩”到堆的其中一 块，按顺序排放。此算法避免了“标记-清除”的碎片问题，同时也避免了“复制”算法的空间问题。 

        5.    增量收集（Incremental Collecting） 
实施垃圾回收算法，即：在应用进行的同时进行垃圾回收。不知道什么原因JDK5.0中的收集器没有使用这种算法的。 
        6.    分代（Generational Collecting） 
              基于对对象生命周期分析后得出的垃圾回收算法。把对象分为年青代、年老代、持久代，对不同生命周期的对象使用不同的算法（上述方式中的一个）进行回收。现在的垃圾回收器（从J2SE1.2开始）都是使用此算法的。

3.GC种类

       1.单线程收集器（serial collector）

             特点：使用单线程去完成所有的gc工作，没有线程间的通信，这种方式会相对高效，Client模式下默认。

       2.并行收集器（parallel collector或叫throughput collector ）

             特点：使用多线程的方式，利用多CUP来提高GC的效率主要以到达一定的吞吐量为目标，但是只在young area使用使用多线程，Server模式下默认。

       3.并发收集器（concurrent collector或叫concurrent low pause collector）

             特点：使用多线程的方式,利用多CUP来提高GC的效率并发完成大部分工作，使得gc pause短。

4.GC类型

       1.    Scavenge GC （YGC）

              一般情况下，当新对象生成，并且在Eden申请空间失败时，就好触发Scavenge GC，堆Eden区域进行GC，清除非存活对象，并且把尚且存活的对象移动到Survivor区。然后整理Survivor的两个区。 
      2.    Full GC （FGC）
              对整个堆进行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC比Scavenge GC要慢，因此应该尽可能减少Full GC。有如下原因可能导致Full GC

5.衡量GC的指标（GC Metrics） 

• Throughput（吞吐量）：所有没有花在执行GC上的时间占总运行时间的比重。
• Pauses（暂停）：当GC在运行时程序的暂停次数。或者是在感兴趣的暂停次数中，暂停的平均时长和最大时长。
• Footprint（足迹？）：当前使用的堆内存大小。
• Promptness（及时性）：不再使用的对象多久能被清除掉并释放其内存。

6.GC中对象的可触及状态

     GC中对象的六种可触及状态

   1.强可触及：对象可以从根结点不通过任何引用对象搜索到

   2.软可触及：对象不是强可触及的，但是可以从根结点开始通过一个或多个（未被清除的）软引用对象触及

   3.弱可触及：对象既不是强可触及也不是软可触及的，但是从根结点开始可以通过一个或多个弱引用对象触及

   4.可复活的：对象既不是强可触及、软可触及，也不是弱可触及，但是仍然可能通过执行某些终结方法复活到这几种状态之一

   5.影子可触及：不上以上任何可触及状态，也不能通过终结方法复活，并且它可以从根结点开始通过一个或多个影子引用对象触及（影子引用不会被垃圾收   集器清除，由        程序明确地清除）

   6不可触及：就是已经准备回收的状态 

7.GC过程

8.优化机制与操作

       在Dos下使用java -X命令，查看具体配置命令

       

       1.调整JVM堆内存各代空间比例与栈空间大小

             (1). java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k

                          -Xmx3550m：设置JVM最大可用内存为3550M。 

                          -Xms3550m：设置JVM促使内存为3550m。此值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。 
                          -Xmn2g：设置年轻代大小为2G。整个堆大小=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。 
                          -Xss128k： 设置每个线程的堆栈大小。

              (2).java -Xmx3550m -Xms3550m -Xss128k -XX:NewRatio=4 -XX:SurvivorRatio=4 -XX:MaxPermSize=16m -XX:MaxTenuringThreshold=0 

                         -XX:NewRatio=4:设置年轻代（包括Eden和两个Survivor区）与年老代的比值（除去持久代）。设置为4，则年轻代与年老代所占比值为 

                                                      1：4，年轻代占整个堆栈的1/5 
                         -XX:SurvivorRatio=4：设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。设置为4，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:4，一个 

                                                           Survivor区占整个年轻代的1/6 
                         -XX:MaxPermSize=16m:设置持久代大小为16m。 
                         -XX:MaxTenuringThreshold=0：设置垃圾最大年龄。如果设置为0的话，则年轻代对象不经过Survivor区，直接进入年老代。对于年老代 

                                                                           比较多的应用，可以提高效率。

       2.根据应用规模选择GC种类

              (3). java -Xmx3800m -Xms3800m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=20 

                           -XX:+UseParallelGC：选择垃圾收集器为并行收集器。此配置仅对年轻代有效。即上述配置下，年轻代使用并发收集，而年老代仍旧使用 

                                                             串行收集。 
                          -XX:ParallelGCThreads=20：配置并行收集器的线程数，即：同时多少个线程一起进行垃圾回收。此值最好配置与处理器数目相等。 

              (4).java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=20 -XX:+UseParallelOldGC

                          -XX:+UseParallelOldGC：配置年老代垃圾收集方式为并行收集。JDK6.0支持对年老代并行收集。

              (5).java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC  -XX:MaxGCPauseMillis=100

                          -XX:MaxGCPauseMillis=100:设置每次年轻代垃圾回收的最长时间，如果无法满足此时间，JVM会自动调整年轻代大小，以满足此值。 

              (6).java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC  -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy 

                          -XX:+UseAdaptiveSizePolicy：设置此选项后，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   

                                                                         低相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:+UseCMSCompactAtFullCollection：使用并发收集器时，开启对年老代的压缩。 

                          -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0：上面配置开启的情况下，这里设置多少次Full GC后，对年老代进行压缩       

               (7).Incremental mode

             -XX:+CMSIncrementalMode default: disabled 启动i-CMS模式（must with -XX:+UseConcMarkSweepGC）

                          -XX:+CMSIncrementalPacing default: disabled 提供自动校正功能
                          -XX:CMSIncrementalDutyCycle=<N> default: 50 启动CMS的上线
                          -XX:CMSIncrementalDutyCycleMin=<N> default: 10 启动CMS的下线
                          -XX:CMSIncrementalSafetyFactor=<N> default: 10 用来计算循环次数
                          -XX:CMSIncrementalOffset=<N> default: 0 最小循环次数（This is the percentage (0-100) by which the incremental mode duty  

                                                                                                cycle is shifted to the right within the period between minor collections.）
                          -XX:CMSExpAvgFactor=<N> default: 25 提供一个指导收集数

       3.调整GC清理的时间间隔

                           -XX:+UseParNewGC此命令可以加快minor收集时间。

                           -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC此命令可以加快major收集时间

       4.根据具体情况选择GC的算法

       5.垃圾回收统计信息 

                          -XX:+PrintGC 
                          -XX:+PrintGCDetails 
                          -XX:+PrintGCTimeStamps 
                          -Xloggc:filename

                          注：在java -X中并没有-XX命令，此时用 java -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails

        6.JVM运行模式选择：

                 (1).java -client

                 (2).java -server

        7.常用监测工具

              jconsole JDK自带的内存监测工具，路径jdk bin目录下jconsole.exe，双击可运行。

              jvisualvm JDK自带的监测工具，路径jdk bin目录下jvisualvm .exe，双击可运行。

              jvmstat  jvmstat是图形版的jstat，由Java 官方提供，目前最新版本为3.0。

              YourKit Java Profiler   YourKit 是一个用于分析Java 与.NET 应用程序的智能工具，YourKit Java Profiler 已经被IT 专业人士与分析师 

                                                      公认为最好的分析工具。通过YourKit 技术解决方案可以以非常高的的专业水平分析出CPU 与内存使用情况。

              

              JProfiler 收费的工具，但是到处都有破解办法。安装好以后按照配置调试的方式配置好一个本地的session即可运行。

              jinfo 可以从一个给定的java进程或core文件或远程debug服务器上获取java配置信息。包括java系统属性及JVM参数(command line flags)。

              jmap 观察运行中的jvm物理内存的占用情况。

              jps 列出所有的jvm实例

              jvmtop 一个轻量级的控制台程序用来监控机器上运行的所有 Java 虚拟机。

              jstack 观察jvm中当前所有线程的运行情况和线程当前状态

              jstat JVM监测工具(Java Virtual Machine Statistics Monitoring Tool)。利用了JVM内建的指令对Java应用程序的资源和性能进行实

                                                     时的命令行的监控，包括各种堆和非堆的大小及其内存使用量、classloader、compiler、垃圾回收状况等。

             Java api方式监测：jre中提供了一些查看运行中的JVM内部信息的api，这些api包含在java.lang.management包中，此包中的接口 

                                        是在jdk 5中引入的，所以只有在jdk 5及其以上版本中才能通过这种方式访问这些信息。

          

参考文章：

            http://www.cnblogs.com/redcreen/archive/2011/05/04/2037029.html

            http://blog.csdn.net/ithomer/article/details/6252552

            http://hi.baidu.com/qust409xls/item/d013eb1126f0c30f8ebde4a6

            http://blog.chinaunix.net/uid-7374279-id-4489100.html

            http://zhangjiangxing-gmail-com.iteye.com/blog/1048832

            http://blog.csdn.net/kobejayandy/article/details/8496663

            http://www.cnblogs.com/hnrainll/archive/2013/11/06/3410042.html

            http://wenku.baidu.com/view/de4b06a8dd3383c4bb4cd235.html

            http://www.cnblogs.com/xianrongbin/archive/2011/11/27/2265157.html

            http://www.cnblogs.com/redcreen/archive/2011/05/04/2037029.html

            http://blog.csdn.net/lengyuhong/article/details/5953544

            http://www.cnblogs.com/redcreen/archive/2011/05/09/2040977.html

            http://286.iteye.com/blog/1931574

            http://developer.51cto.com/art/201009/227512.htm

            http://my.oschina.net/timer/blog/10599