JVM性能调优详解

前面咱们学习了整个JVM系列，最终目标的不只仅是了解JVM的基础知识，也是为了进行JVM性能调优作准备。这篇文章带领你们学习JVM性能调优的知识。

性能调优

性能调优包含多个层次，好比：架构调优、代码调优、JVM调优、数据库调优、操做系统调优等。

架构调优和代码调优是JVM调优的基础，其中架构调优是对系统影响最大的。

性能调优基本上按照如下步骤进行：明确优化目标、发现性能瓶颈、性能调优、经过监控及数据统计工具得到数据、确认是否达到目标。

什么时候进行JVM调优

遇到如下状况，就须要考虑进行JVM调优了：

• Heap内存（老年代）持续上涨达到设置的最大内存值；
• Full GC 次数频繁；
• GC 停顿时间过长（超过1秒）；
• 应用出现OutOfMemory 等内存异常；
• 应用中有使用本地缓存且占用大量内存空间；
• 系统吞吐量与响应性能不高或降低。

JVM调优的基本原则

JVM调优是一个手段，但并不必定全部问题均可以经过JVM进行调优解决，所以，在进行JVM调优时，咱们要遵循一些原则：

• 大多数的Java应用不须要进行JVM优化；
• 大多数致使GC问题的缘由是代码层面的问题致使的（代码层面）；
• 上线以前，应先考虑将机器的JVM参数设置到最优；
• 减小建立对象的数量（代码层面）；
• 减小使用全局变量和大对象（代码层面）；
• 优先架构调优和代码调优，JVM优化是不得已的手段（代码、架构层面）；
• 分析GC状况优化代码比优化JVM参数更好（代码层面）；

经过以上原则，咱们发现，其实最有效的优化手段是架构和代码层面的优化，而JVM优化则是最后不得已的手段，也能够说是对服务器配置的最后一次“压榨”。

JVM调优目标

调优的最终目的都是为了令应用程序使用最小的硬件消耗来承载更大的吞吐。jvm调优主要是针对垃圾收集器的收集性能优化，令运行在虚拟机上的应用可以使用更少的内存以及延迟获取更大的吞吐量。

• 延迟：GC低停顿和GC低频率；
• 低内存占用；
• 高吞吐量;

其中，任何一个属性性能的提升，几乎都是以牺牲其余属性性能的损为代价的，不可兼得。具体根据在业务中的重要性肯定。

JVM调优量化目标

下面展现了一些JVM调优的量化目标参考实例：

• Heap 内存使用率 <= 70%;
• Old generation内存使用率<= 70%;
• avgpause <= 1秒;
• Full gc 次数0 或 avg pause interval >= 24小时 ;

注意：不一样应用的JVM调优量化目标是不同的。

JVM调优的步骤

通常状况下，JVM调优可经过如下步骤进行：

• 分析GC日志及dump文件，判断是否须要优化，肯定瓶颈问题点；
• 肯定JVM调优量化目标；
• 肯定JVM调优参数（根据历史JVM参数来调整）；
• 依次调优内存、延迟、吞吐量等指标；
• 对比观察调优先后的差别；
• 不断的分析和调整，直到找到合适的JVM参数配置；
• 找到最合适的参数，将这些参数应用到全部服务器，并进行后续跟踪。

以上操做步骤中，某些步骤是须要屡次不断迭代完成的。通常是从知足程序的内存使用需求开始的，以后是时间延迟的要求，最后才是吞吐量的要求，要基于这个步骤来不断优化，每个步骤都是进行下一步的基础，不可逆行之。

JVM参数

JVM调优最重要的工具就是JVM参数了。先来了解一下JVM参数相关内容。

-XX 参数被称为不稳定参数，此类参数的设置很容易引发JVM 性能上的差别，使JVM存在极大的不稳定性。若是此类参数设置合理将大大提升JVM的性能及稳定性。

不稳定参数语法规则包含如下内容。

布尔类型参数值：

• -XX:+ '+'表示启用该选项
• -XX:- '-'表示关闭该选项

数字类型参数值：

• -XX:= 给选项设置一个数字类型值，可跟随单位，例如：'m'或'M'表示兆字节;'k'或'K'千字节;'g'或'G'千兆字节。32K与32768是相同大小的。

字符串类型参数值：

• -XX:= 给选项设置一个字符串类型值，一般用于指定一个文件、路径或一系列命令列表。例如：-XX:HeapDumpPath=./dump.core

JVM参数解析及调优

好比如下参数示例：

-Xmx4g –Xms4g –Xmn1200m –Xss512k -XX:NewRatio=4 -XX:SurvivorRatio=8 -XX:PermSize=100m -XX:MaxPermSize=256m -XX:MaxTenuringThreshold=15

上面为Java7及之前版本的示例，在Java8中永久代的参数-XX:PermSize和-XX：MaxPermSize已经失效。这在前面章节中已经讲到。

参数解析：

• -Xmx4g：堆内存最大值为4GB。
• -Xms4g：初始化堆内存大小为4GB。
• -Xmn1200m：设置年轻代大小为1200MB。增大年轻代后，将会减少年老代大小。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。
• -Xss512k：设置每一个线程的堆栈大小。JDK5.0之后每一个线程堆栈大小为1MB，之前每一个线程堆栈大小为256K。应根据应用线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减少这个值能生成更多的线程。可是操做系统对一个进程内的线程数仍是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。
• -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=8：设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。设置为8，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:8，一个Survivor区占整个年轻代的1/10
• -XX:PermSize=100m：初始化永久代大小为100MB。
• -XX:MaxPermSize=256m：设置持久代大小为256MB。
• -XX:MaxTenuringThreshold=15：设置垃圾最大年龄。若是设置为0的话，则年轻代对象不通过Survivor区，直接进入年老代。对于年老代比较多的应用，能够提升效率。若是将此值设置为一个较大值，则年轻代对象会在Survivor区进行屡次复制，这样能够增长对象再年轻代的存活时间，增长在年轻代即被回收的概论。

新生代、老生代、永久代的参数，若是不进行指定，虚拟机会自动选择合适的值，同时也会基于系统的开销自动调整。

可调优参数：

-Xms：初始化堆内存大小，默认为物理内存的1/64(小于1GB)。

-Xmx：堆内存最大值。默认(MaxHeapFreeRatio参数能够调整)空余堆内存大于70%时，JVM会减小堆直到-Xms的最小限制。

-Xmn：新生代大小，包括Eden区与2个Survivor区。

-XX:SurvivorRatio=1：Eden区与一个Survivor区比值为1:1。

-XX:MaxDirectMemorySize=1G：直接内存。报java.lang.OutOfMemoryError: Direct buffer memory异常能够上调这个值。

-XX:+DisableExplicitGC：禁止运行期显式地调用System.gc()来触发fulll GC。

注意: Java RMI的定时GC触发机制可经过配置-Dsun.rmi.dgc.server.gcInterval=86400来控制触发的时间。

-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=60：老年代内存回收阈值，默认值为68。

-XX:ConcGCThreads=4：CMS垃圾回收器并行线程线，推荐值为CPU核心数。

-XX:ParallelGCThreads=8：新生代并行收集器的线程数。

-XX:MaxTenuringThreshold=10：设置垃圾最大年龄。若是设置为0的话，则年轻代对象不通过Survivor区，直接进入年老代。对于年老代比较多的应用，能够提升效率。若是将此值设置为一个较大值，则年轻代对象会在Survivor区进行屡次复制，这样能够增长对象再年轻代的存活时间，增长在年轻代即被回收的概论。

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=4：指定进行多少次fullGC以后，进行tenured区 内存空间压缩。

-XX:CMSMaxAbortablePrecleanTime=500：当abortable-preclean预清理阶段执行达到这个时间时就会结束。

在设置的时候，若是关注性能开销的话，应尽可能把永久代的初始值与最大值设置为同一值，由于永久代的大小调整须要进行FullGC才能实现。

内存优化示例

当JVM运行稳定以后，触发了FullGC咱们通常会拿到以下信息:

以上gc日志中，在发生fullGC之时，整个应用的堆占用以及GC时间。为了更加精确需屡次收集，计算平均值。或者是采用耗时最长的一次FullGC来进行估算。上图中，老年代空间占用在93168kb（约93MB），以此定为老年代空间的活跃数据。则其余堆空间的分配，基于如下规则来进行。

• java heap：参数-Xms和-Xmx，建议扩大至3-4倍FullGC后的老年代空间占用。
• 永久代：-XX:PermSize和-XX:MaxPermSize，建议扩大至1.2-1.5倍FullGc后的永久带空间占用。
• 新生代：-Xmn，建议扩大至1-1.5倍FullGC以后的老年代空间占用。
• 老年代：2-3倍FullGC后的老年代空间占用。

基于以上规则，则对参数定义以下：

java -Xms373m -Xmx373m -Xmn140m -XX:PermSize=5m -XX:MaxPermSize=5m

延迟优化示例

对延迟性优化，首先须要了解延迟性需求及可调优的指标有哪些。

• 应用程序可接受的平均停滞时间: 此时间与测量的Minor
• GC持续时间进行比较。可接受的Minor GC频率：Minor
• GC的频率与可容忍的值进行比较。
• 可接受的最大停顿时间:最大停顿时间与最差状况下FullGC的持续时间进行比较。
• 可接受的最大停顿发生的频率：基本就是FullGC的频率。

其中，平均停滞时间和最大停顿时间，对用户体验最为重要。对于上面的指标，相关数据采集包括：MinorGC的持续时间、统计MinorGC的次数、FullGC的最差持续时间、最差状况下，FullGC的频率。

如上图，Minor GC的平均持续时间0.069秒，MinorGC的频率为0.389秒一次。

新生代空间越大，Minor GC的GC时间越长，频率越低。若是想减小其持续时长，就须要减小其空间大小。若是想减少其频率，就须要加大其空间大小。

这里以减小了新生代空间10%的大小，来减少延迟时间。在此过程当中，应该保持老年代和持代的大小不变化。调优后的参数以下变化:

java -Xms359m -Xmx359m -Xmn126m -XX:PermSize=5m -XX:MaxPermSize=5m

吞吐量调优

吞吐量调优主要是基于应用程序的吞吐量要求而来的，应用程序应该有一个综合的吞吐指标，这个指标基于整个应用的需求和测试而衍生出来的。

评估当前吞吐量和目标差距是否巨大，若是在20%左右，能够修改参数，加大内存，再次从头调试，若是巨大就须要从整个应用层面来考虑，设计以及目标是否一致了，从新评估吞吐目标。

对于垃圾收集器来讲，提高吞吐量的性能调优的目标就是尽量避免或者不多发生FullGC或者Stop-The-World压缩式垃圾收集（CMS），由于这两种方式都会形成应用程序吞吐下降。尽可能在MinorGC 阶段回收更多的对象，避免对象提高过快到老年代。

调优工具

借助GCViewer日志分析工具，能够很是直观地分析出待调优势。可从如下几方面来分析：

Memory,分析Totalheap、Tenuredheap、Youngheap内存占用率及其余指标，理论上内存占用率越小越好；

Pause，分析Gc pause、Fullgc pause、Total pause三个大项中各指标，理论上GC次数越少越好，GC时长越小越好；

原文连接：《JVM性能调优详解》

本文参考：

（1）http://www.javashuo.com/article/p-wnvshwvs-ee.html
（2）http://www.javashuo.com/article/p-qvijjyrm-gz.html

《面试官》系列文章：

• 《JVM以内存结构详解》
• 《面试官，不要再问我“Java GC垃圾回收机制”了》
• 《面试官，Java8 JVM内存结构变了，永久代到元空间》
• 《面试官，不要再问我“Java 垃圾收集器”了》
• 《Java虚拟机类加载器及双亲委派机制》
• 《Java内存模型(JMM)详解》
• 《Java内存模型相关原则详解》
• 《JVM性能调优详解》

程序新视界：精彩和成长都不容错过