Labs 導(dǎo)讀

Java虛擬機（JVM）是Java應(yīng)用程序的運行環(huán)境，它負責(zé)管理Java應(yīng)用程序的內(nèi)存分配、垃圾回收和其他運行時事務(wù)。然而，在生產(chǎn)環(huán)境中，許多Java應(yīng)用程序的性能問題與JVM的配置和調(diào)優(yōu)有關(guān)。

Part 01、JVM基本結(jié)構(gòu) 

為了更好地進行JVM調(diào)優(yōu)，首先需要了解其基本結(jié)構(gòu)及工作機制：

• 堆（Heap）：堆是Java虛擬機中最大的一部分，也是最主要的內(nèi)存區(qū)域，它主要存放對象實例。在堆中，新生代被進一步細分為Eden區(qū)和兩個Survivor區(qū)。Eden區(qū)是用于分配大多數(shù)對象的地方，而Survivor區(qū)則是用于容納Eden區(qū)中存活的對象。隨著時間的推移，Survivor區(qū)中仍然存活的對象將被移動到老年代。老年代主要存放長時間存活的對象。
• 方法區(qū)（MethodArea）：方法區(qū)是Java虛擬機中的另一重要內(nèi)存區(qū)域，用于存放類定義的元信息、常量、靜態(tài)變量等。這個區(qū)域也被稱為永久代（PermGen），但在Java8及以后的版本中，永久代被元空間（Metaspace）所取代。
• 虛擬機棧（JavaStack）：每個線程都有一個私有的棧，稱為虛擬機棧。這個棧中存放著局部變量、操作數(shù)棧、動態(tài)鏈接和方法返回地址等信息。每個方法調(diào)用都會創(chuàng)建一個棧幀，用于存儲該方法的局部變量、操作數(shù)棧和動態(tài)鏈接等。當(dāng)方法被調(diào)用時，一個新的棧幀會被推入該線程的虛擬機棧，當(dāng)方法調(diào)用完成后，相應(yīng)的棧幀會被彈出
  
• 本地方法棧：本地方法棧是為本地方法服務(wù)。本地方法是Java虛擬機使用的本地語言編寫的代碼，用于實現(xiàn)Java虛擬機的一些功能。本地方法棧的結(jié)構(gòu)和虛擬機棧類似，但它的具體實現(xiàn)和細節(jié)可能會因不同的Java虛擬機實現(xiàn)而有所不同。
• 程序計數(shù)器：程序計數(shù)器是Java虛擬機中的一個小內(nèi)存區(qū)域，用于記錄當(dāng)前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。通過程序計數(shù)器，Java虛擬機可以知道下一條要執(zhí)行的字節(jié)碼指令是什么。在解釋執(zhí)行時，程序計數(shù)器會逐條地增加字節(jié)碼指令的地址；在JIT編譯執(zhí)行時，程序計數(shù)器則指向字節(jié)碼指令的地址。

圖1 JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)

Part 02、堆內(nèi)存調(diào)優(yōu) 

• 設(shè)置堆內(nèi)存大小：合理根據(jù)需求情況設(shè)置Xmx（JVM最大堆內(nèi)存大小）和Xms（初始堆內(nèi)存大小）。設(shè)置通常建議將-Xmx參數(shù)設(shè)置為物理內(nèi)存70%左右，不能超過容器內(nèi)存的80%。并且Xms設(shè)置為物理內(nèi)存1/64，但不能小于1G。如有8G的內(nèi)存，使用-Xmx=5734M和-Xms=1024M。如果Xmx設(shè)置過小，會導(dǎo)致應(yīng)用程序性能下降，頻繁的垃圾回收，內(nèi)存溢出（OutOfMemoryError）；Xmx設(shè)置過大，浪費系統(tǒng)資源，更高的CPU使用率，啟動失敗等
  
• 調(diào)整新生代與老年代比例：設(shè)置JVM的新生代（YoungGeneration）和老年代（OldGeneration）的比例是一個根據(jù)應(yīng)用程序特性和工作負載進行優(yōu)化的過程。新生代是用于存儲新創(chuàng)建的對象以及在MinorGC后仍然存活的對象。它通常被細分為Eden區(qū)和兩個Survivor區(qū)（S0和S1）。新生代的大小可以通過-Xmn參數(shù)進行設(shè)置，例如-Xmn1024m設(shè)置新生代大小為1024MB。老年代是用于存儲長時間存活的對象。當(dāng)新生代中的對象經(jīng)過多次MinorGC仍然存活，它們就會被晉升到老年代。老年代的大小可以通過-Xmx參數(shù)進行設(shè)置，例如-Xmx2048m設(shè)置老年代大小為2048MB。調(diào)整新生代與老年代的比例需要根據(jù)具體的應(yīng)用程序和其內(nèi)存使用模式進行。務(wù)必進行充分的測試和觀察，以確保找到適合應(yīng)用程序的最佳配置。

圖2 堆內(nèi)存結(jié)構(gòu)

• 方法區(qū)調(diào)整方法區(qū)的大小：方法區(qū)的默認大小可以通過-XX:MaxMetaspaceSize參數(shù)來設(shè)置。如果應(yīng)用程序加載了許多類，或者使用了大量元數(shù)據(jù)，可能需要增加方法區(qū)的大小。另一方面，如果方法區(qū)占用了過多的內(nèi)存，可能會導(dǎo)致OutOfMemoryError錯誤。因此，需要根據(jù)應(yīng)用程序的需求和內(nèi)存限制來調(diào)整方法區(qū)的大小。
• 調(diào)整線程棧大小：線程棧大小可以通過-Xss參數(shù)進行設(shè)置。如果應(yīng)用程序使用大量線程并且線程需要處理復(fù)雜的計算任務(wù)，可以適當(dāng)增加線程棧大小，以避免棧溢出錯誤。但是，如果應(yīng)用程序需要處理大量線程，增加線程棧大小可能會增加內(nèi)存開銷。
  
  注意：JVM的調(diào)優(yōu)應(yīng)該根據(jù)具體的應(yīng)用程序和工作負載進行。在進行調(diào)優(yōu)之前，建議先對應(yīng)用程序進行性能測試和監(jiān)控，以便了解其內(nèi)存使用和垃圾收集情況，從而制定更有效的調(diào)優(yōu)策略。

Part 03、垃圾回收策略 

使用適當(dāng)?shù)睦厥掌?/span>：JVM提供了多種垃圾回收器，如SerialCollector、

ParallelCollector、CMS（ConcurrentMarkSweep）Collector和G1（Garbage-First）Collector等。選擇適合應(yīng)用程序的垃圾回收器可以提高性能和減少停頓。例如，對于響應(yīng)性要求高的應(yīng)用程序，可以使用SerialCollector或CMSCollector；對于處理大量對象的批處理應(yīng)用程序，可以使用ParallelCollector或G1Collector。

調(diào)整堆大小：堆是JVM用于存儲對象的內(nèi)存區(qū)域。通過調(diào)整堆的大小，可以平衡內(nèi)存使用和垃圾回收效率。如果堆大小過小，可能會導(dǎo)致頻繁的垃圾回收或OutOfMemoryError；如果堆大小過大，可能會導(dǎo)致內(nèi)存浪費和長時間的垃圾回收。建議根據(jù)應(yīng)用程序的需求和可用內(nèi)存進行調(diào)整。

對象生命周期管理：合理管理對象生命周期可以減少垃圾回收的壓力。例如，盡可能地重用對象、使用軟引用和弱引用等。

禁用無用對象的回收：對于某些需要長期存在的對象，可以將其標記為永久代（PermGen）或元空間（Metaspace），以避免垃圾回收的干擾。但是，這可能會導(dǎo)致內(nèi)存泄漏，因此需要謹慎使用。

Part 04 、 JVM性能調(diào)測工具 

JVM性能調(diào)測工具可以幫助開發(fā)人員分析和優(yōu)化Java應(yīng)用程序的性能。

JConsole：JConsole是JDK自帶的Java監(jiān)控和管理平臺，主要用于JVM內(nèi)存和線程的監(jiān)控。存放在JDK安裝目錄的bin文件夾中。使用JConsole可以監(jiān)控Java應(yīng)用程序的CPU使用率、內(nèi)存使用情況、線程數(shù)以及垃圾收集的頻率和時間等。

JVisualVM：JVisualVM也是JDK中自帶的可視化工具，可以查看本地應(yīng)用以及遠程服務(wù)器上應(yīng)用程序的相關(guān)數(shù)據(jù)。它還可以捕獲相關(guān)的數(shù)據(jù)保存在本地，以供后期分析。JVisualVM可以查看本地應(yīng)用、遠程應(yīng)用、以及JVM日志dump文件和快照文件。使用JVisualVM的Profiler和Sampler插件可以進行性能分析，以找出CPU和內(nèi)存使用的瓶頸。

JHSDB（JRockitHypericSIG）：JHSDB是JRockitJVM自帶的性能分析工具。它可以通過圖形界面或命令行方式來查看JVM的性能數(shù)據(jù)，包括CPU使用率、內(nèi)存使用情況、線程數(shù)以及垃圾收集的頻率和時間等。JHSDB還可以生成性能報告，以幫助開發(fā)人員分析和優(yōu)化Java應(yīng)用程序的性能。

JavaMissionControl（JMC）：JMC是Oracle開發(fā)的Java應(yīng)用程序監(jiān)控和管理工具。它可以監(jiān)控Java應(yīng)用程序的性能，包括CPU使用率、內(nèi)存使用情況、線程數(shù)以及垃圾收集的頻率和時間等。同時，JMC還提供了一系列的分析工具，可以幫助開發(fā)人員找出Java應(yīng)用程序的性能瓶頸。

VisualVM：VisualVM是一個開源的Java虛擬機監(jiān)視和分析工具。它提供了多個插件，可以用來監(jiān)控Java應(yīng)用程序的性能，包括CPU使用率、內(nèi)存使用情況、線程數(shù)以及垃圾收集的頻率和時間等。VisualVM還可以生成性能報告，以幫助開發(fā)人員分析和優(yōu)化Java應(yīng)用程序的性能。

Part 05、JIT編譯器調(diào)優(yōu) 

圖3JVM工作流程

調(diào)整JIT編譯器的編譯策略：JIT編譯器默認情況下會根據(jù)方法的調(diào)用頻率和字節(jié)碼的行數(shù)來決定是否編譯方法。通過調(diào)整JIT編譯器的編譯策略，可以控制哪些方法會被編譯，從而提高應(yīng)用程序的性能。例如，可以使用-XX:CompileThreshold參數(shù)來調(diào)整編譯閾值，讓更頻繁調(diào)用的方法被編譯。

禁用JIT編譯器的某些優(yōu)化：JIT編譯器默認情況下會進行一些優(yōu)化，如方法內(nèi)聯(lián)、常量折疊等。但是，在某些情況下，這些優(yōu)化可能會降低性能。通過禁用JIT編譯器的某些優(yōu)化，可以繞過這些性能瓶頸。例如，可以使用-XX:-Inline參數(shù)來禁用方法內(nèi)聯(lián)。

調(diào)整JIT編譯器的編譯優(yōu)化級別：JIT編譯器默認情況下會進行一些優(yōu)化，以提高程序的執(zhí)行效率。通過調(diào)整JIT編譯器的編譯優(yōu)化級別，可以平衡編譯優(yōu)化和編譯速度之間的關(guān)系。例如，可以使用-XX:CompileOptimizerLevel參數(shù)來調(diào)整編譯優(yōu)化級別。

使用JIT編譯器的特定參數(shù)：JIT編譯器提供了一些特定的參數(shù)，可以用來控制編譯器的行為。例如，可以使用-XX:CompileCommand參數(shù)來指定要編譯的方法，使用-XX:CompileOnly參數(shù)來指定要排除的方法。

進行代碼優(yōu)化：除了調(diào)整JIT編譯器的參數(shù)外，還可以通過代碼優(yōu)化來提高應(yīng)用程序的性能。例如，可以使用循環(huán)展開、預(yù)計算等技術(shù)來減少循環(huán)次數(shù)和計算量。

Part 06、結(jié)束語 

在本文中，我們深入探討了Java的JVM調(diào)優(yōu)技術(shù)。通過對JVM的配置、堆大小、垃圾回收器和性能監(jiān)控等方面進行優(yōu)化，我們可以顯著提高Java應(yīng)用程序的性能和響應(yīng)性，并減少資源消耗。然而，JVM調(diào)優(yōu)并不是一項簡單的工作，需要我們不斷地進行監(jiān)控、調(diào)整和優(yōu)化。因此，我們應(yīng)該根據(jù)應(yīng)用程序的需求和特點，選擇合適的JVM版本和參數(shù)配置。同時，我們需要合理設(shè)置堆大小和垃圾回收器參數(shù)，以充分利用系統(tǒng)資源并提高應(yīng)用程序的性能。

此外，通過使用JVM性能監(jiān)控工具，如JConsole、VisualVM等，我們可以及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，確保應(yīng)用程序的穩(wěn)定性和可靠性。總之，JVM調(diào)優(yōu)是一項需要持續(xù)進行的工作。通過不斷地監(jiān)控、調(diào)整和優(yōu)化，我們可以使Java應(yīng)用程序更好地適應(yīng)不同的運行環(huán)境和需求，提高應(yīng)用程序的性能和響應(yīng)性。希望本文能夠幫助您更好地了解Java的JVM調(diào)優(yōu)技術(shù)，并為您的工作帶來更多的便利和效益。