Java内存模型及性能优化

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最近在做一个项目的性能优化，遇到好多以前没有关注过的性能问题，一头雾水，今天做个笔记，简单记录下JVM相关的参数设置。

一、JVM内存模型

1. 首先介绍下Java程序具体执行的过程：

• Java源代码文件(.java后缀)会被Java编译器编译为字节码文件(.class后缀)；
• 由JVM中的类加载器加载各个类的字节码文件，加载完毕之后，交由JVM执行引擎执行；
• 在整个程序执行过程中，JVM会用一段空间来存储程序执行期间需要用到的数据和相关信息，这段空间一般被称作为Runtime Data Area（运行时数据区），也就是我们常说的JVM内存；
• 因此，在Java中我们常常说到的内存管理就是针对这段空间进行管理（如何分配和回收内存空间）。

　　2.  JVM的内存划分和各区域职责：

• 程序计数器：程序计数器是指CPU中的寄存器，它保存的是程序当前执行的指令的地址（也可以说保存下一条指令的所在存储单元的地址），当CPU需要执行指令时，需要从程序计数器中得到当前需要执行的指令所在存储单元的地址，然后根据得到的地址获取到指令，在得到指令之后，程序计数器便自动加1或者根据转移指针得到下一条指令的地址，如此循环，直至执行完所有的指令；（注：JVM中的程序计数器并不像汇编语言中的程序计数器一样是物理概念上的CPU寄存器，但是逻辑作用上是等同的，在JVM中多线程是通过线程轮流切换来获得CPU执行时间的，在任一具体时刻，一个CPU的内核只会执行一条线程中的指令，为了能够使得每个线程都在线程切换后能够恢复在切换之前的程序执行位置，每个线程都需要有自己独立的程序计数器，并且不能互相被干扰，否则就会影响到程序的正常执行次序。因此，可以这么说，程序计数器是每个线程所私有的）
• Java栈：Java栈是Java方法执行的内存模型，Java栈中存放的是一个个的栈帧，每个栈帧（包括：局部变量表、操作数栈、运行时常量池（在下文中提到的方法区内）的引用、方法返回地址和一些额外的附加信息）对应一个被调用的方法，当线程执行一个方法时，就会随之创建一个对应的栈帧，并将建立的栈帧压栈。当方法执行完毕之后，便会将栈帧出栈；（注：由于每个线程正在执行的方法可能不同，因此每个线程都会有一个自己的Java栈，互不干扰）
• 本地方法栈：Java栈是为执行Java方法服务的，而本地方法栈则是为执行本地方法（Native Method）服务的；
• 堆：Java中的堆是用来存储对象本身的以及数组；
• 方法区：它与堆一样，是被线程共享的区域，存储了每个类的信息（包括类的名称、方法信息、字段信息）、静态变量、常量以及编译器编译后的代码等。（注：在方法区中有一个非常重要的部分就是运行时常量池，它是每一个类或接口的常量池的运行时表示形式，在类和接口被加载到JVM后，对应的运行时常量池就被创建出来。当然并非Class文件常量池中的内容才能进入运行时常量池，在运行期间也可将新的常量放入运行时常量池中，比如String的intern方法。）

二、垃圾回收机制

1. 主要负责两件事情

• 发现无用的对象；
• 回收被无用对象占用的内存空间，使之再次被程序使用(一般是在CPU空闲或者内存不足时)。

　　注：事实上，除了释放没用对象占用的内存空间外，垃圾回收也可以清除内存纪录碎片（由于创建对象和垃圾回收器释放丢弃对象所占的内存空间）

　　2.  特点

• 垃圾回收机制的工作目标是回收无用对象的内存空间，这些内存空间都是jvm堆内存（运行时数据区，用以保存类的实例，即对象）里的内存空间，不包含其它物力资源，比如数据库连接、磁盘I/O等；
• Java语言没有显式的提供分配内存和删除内存的方法，一些开发人员将引用对象设置为null或者调用System.gc()或者Runtime.getRuntime.gc()来释放内存(后两种方法仅是建议，慎重使用)；
• 垃圾回收不可预知，不同的jvm采用不同的垃圾回收机制和算法，有可能定时发生，有可能CPU空闲时发生，也有可能内存耗尽时发生(下面说下最为熟知的分代垃圾回收)；

三、垃圾回收算法分代垃圾回收

　　1.  年轻代（Young Generation）

• 所有新生成的对象首先都是放在年轻代的。年轻代的目标就是尽可能快速的收集掉那些生命周期短的对象。
• 年轻代分三个区。如上图所示，默认一个Eden区，两个Survivor区，可以通过-XXSurvivorRatio调整比例（默认-XX:SurvivorRatio＝8，表示Eden区与Survivor区的大小比值是8:1:1）。
• 大部分对象在Eden区中生成。（注：可以通过设置-XX:PreTenureSizeThreShold大小，令大于这个值的对象直接保存到年老代，避免在Eden区与Survivor区之间频繁地通过复制算法回收内存）
• 当Eden区满时，会进行Minor GC对其回收无用对象占用的内存，如果还有存活对象，则将存活的对象复制到Survivor From区（两个中Survivor对称）；然后从Eden区存活下来的对象，就会被复制到From，当这个From区满时，此区的存活对象将被复制到To区，接下来Eden区存活下来的对象就会被复制到To区，经历一定的次数Minor GC后(默认15次，可通过-MaxTenuringThreshold参数调整年轻代回收次数)，还存活的对象，将被复制“年老区(Tenured)”。
• Survivor区总有一个是空的。这样可以增加对象在年轻代中的存在时间，减少被放到年老代的可能。
• 所有的Minor GC都会触发全世界的暂停（stop-the-world），停止应用程序的线程，不过这个过程非常短暂。

2.  年老代（Old Generation或者Tenured Generation）

• 年轻代和年老代的默认比例为1:2，即年轻代占堆内存的1/3，年老代占2/3，可调整-XX:NewRatio的大小设置年轻和年老的比例（默认-XX:NewRatio＝2，即young:tenured＝1:2）。
• 在年轻代中经历了N次垃圾回收后仍然存活的对象，就会被放到年老代中。
• 年老代满了之后，会触发Full GC（也会stop-the-world），对整个堆进行整理，包括Young、Tenured和Perm。Full GC因为需要对整个对进行回收，所以比Minor GC要慢，因此应该尽可能减少Full GC的次数。
• 在对JVM调优的过程中，很大一部分工作就是对于Full GC的调节。有如下原因可能导致Full GC：1.年老代（Tenured）被写满；2.持久代（Perm）被写满；3.System.gc()被显示调用；4.上一次GC之后Heap的各域分配策略动态变化

3.  持久代（Permanent Generation）

• 用于存放静态文件，如Java类、方法、常量池信息等。持久代对垃圾回收没有显著影响，但是有些应用可能动态生成或者调用一些class；
• 持久代大小通过-XX:MaxPermSize进行设置

四、性能调优常用参数设置

1. -Xms and -Xmx (or: -XX:InitialHeapSize and -XX:MaxHeapSize)：指定JVM的初始和最大堆内存大小，两值可以设置相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。
2. -Xmn：设置年轻代大小。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。
3. -Xss：设置每个线程的堆栈大小。JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M。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。
4. -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError and -XX:HeapDumpPath：让JVM在发生内存溢出时自动的生成堆内存快照（堆内存快照文件有可能很庞大，推荐将堆内存快照生成路径指定到一个拥有足够磁盘空间的地方。）
5. -XX:OnOutOfMemoryError：当内存溢发生时，我们甚至可以可以执行一些指令，比如发个E-mail通知管理员或者执行一些清理工作（$ java -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=/tmp/heapdump.hprof -XX:OnOutOfMemoryError ="sh ~/cleanup.sh" MyApp）
6. -XX:PermSize and -XX:MaxPermSize:设置永久代大小的初始值和最大值（请注意，永久代在堆内存中是一块独立的区域，这里设置的永久代大小并不会被包括在使用参数-XX:MaxHeapSize 设置的堆内存大小中）
7. -XX:PretenureSizeThreshold ：令大于这个设置值的对象直接在老年代分配。这样做的目的是避免在Eden区及两个Survivor区之间发生大量的内存复制

Java内存模型及性能优化

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