JAVA-JVM实践指南

JVM实践指南

前言

项目研发过程中，你或许并未直接使用到JVM，但实际上已经间接使用 JVM 很长时间了，在使用过程中，你可能或多或少地遇到以下问题：

• 如果你遇到了OOM（内存溢出），你是否会束手无策？

• 应用服务器出现高延迟问题，该如何排查定位？

• 服务器出现性能不足时，是否只能依靠增加服务器？

此时，你或许需要一份 「JVM实践指南」

本文想聊一聊关于 JVM 的实践，在此之前，我们先回顾一下 JVM 相关知识。

为什么要学习JVM

1. 能让我们更深入的理解Java，理解Java语言底层的执行过程，能让我们“知其然”也“知其所以然”，达到更高效编程的目的；

2. 能让我们洞悉内存泄漏、内存溢出、GC频繁导致的高延迟等问题；

3. 能让我们通过调整JVM相关参数提高Java应用的性能；

4. 除了 Java 外，Groovy、Scala、Clojure，以及时下热门的 Kotlin，这些语言都可以运行在JVM之上,学习JVM可以了解这些语言的通用机制；

   

5. 储备知识，现在用不上，不代表以后用不上；

什么是JVM，JVM有什么用

Java虚拟机（Java Virtual Machine 简称JVM）是执行字节码文件(.class)的抽象计算机，是Java语言的运行环境，JVM是Java字节码执行的引擎，能优化Java字节码，使之转化成效率更高的机器指令。

JVM在执行字节码(.class文件)时，负责将每一条要执行的字节码送给解释器，解释器再将其翻译成特定平台的机器指令并执行，实现跨平台运行。JVM屏蔽了各系统的差异性（Window、Linux系统等），让我们编写的代码可以更快速，更高效地到处执行。

JVM类型

JVM类型的不同，对应的性能也有差异，那JVM有哪些类型呢？目前市面上有三种主流的JVM，它们分别是：

• SUN公司的JVM：HotSpot

• IBM公司的JVM：J9

• BEA公司的JVM ：JRockit

通常公司基础镜像大部分使用的JVM为HotSpot，由于2009年Sun公司已被Oracle公司收购，因此商业版的JDK涉及商业收费问题，许多公司正逐渐使用 Open JDK，以此替换原有的Oracle的JDK，同时需了解JDK与JRE、JVM三者的关系即：JDK包含JRE，JRE包含JVM

JVM基于JDK8的内存模型

JVM内存模型是JVM的重要组成部分，我们按内存线程是否可共享维度，可大体划分为2个类型即：所有线程共享的区域：堆和方法区，每个线程独有的区域：虚方法栈、本地方法栈和程序计数器，下面我们简单介绍JVM各内存的主要职责。

堆内存

Java堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。在JDK8后，字符串常量池从永久代（方法区）中分离出来，存放于堆中。

方法区

方法区基于JDK8版本采用了元数据区，并且字符串常量池也移入到堆区进行管理。方法区存放着虚拟机加载的类信息、常量、静态变量以及即时编译器编译的方法代码等。

虚拟机栈

虚拟机栈也就是平时所说的栈内存，每个Java方法在被调用的时候都会创建一个栈帧（一个方法就对应一个栈帧），并入栈。一旦完成调用，则出栈。所有的的栈帧都出栈后，线程也就结束了，栈帧由四部分组成，分别是局部变量表、操作数栈、动态链接与方法出口。

本地方法栈

由本地方法栈(Native Method Stacks)与虚拟机栈所发挥的作用是非常的相似，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务，虚拟机规范中对本地方法栈中的方法使用的语言、使用方式与数据结构并没有强制规定。

程序计数器

程序计数器是当前线程正在执行的字节码的地址，程序计数器是线程隔离的，每一个线程在工作的时候都有一个独立的计数器。

JVM基于JDK8的垃圾回收过程

JVM垃圾回收重点主要是对堆内存的回收，JVM对堆空间还进行了划分，分年轻代和老年代，他们分别对应的默认的垃圾收集器为：Parallel Scavenge（年轻代）+ Serial Old（老年代），整个垃圾回收机制的过程为：

新生成的对象首先放到年轻代Eden区，当Eden空间满了，触发Minor GC，存活下来的对象将会移动到Survivor0区，Survivor0区满后触发执行Minor GC，Survivor0区存活对象移动到Suvivor1区，这样保证了一段时间内总有一个Survivor区为空。经过多次Minor GC仍然存活的对象移动到老年代。老年代存储长期存活的对象，占满时会触发Full GC，GC期间会停止所有线程等待GC完成，所以对响应要求高的应用尽量减少发生Full GC，避免响应超时。

什么情况下需要监控JVM运行情况及对其进行合理优化呢？

当部署的应用频繁出现以下情况：出现OutOfMemory 内存异常、系统吞吐量与响应性能不高或下降，如果检查发现源代码暂未发生异常，建议可从JVM层面进行分析。

JVM提供了丰富的监控命令，能帮助我们直观得观察JVM的运行情况，首先我们需要先获取部署的Java应用的PID编号，可以使用命令：pgrep -lf java ，执行后如下图所示，获取到的PID的编号即为：1

有了PID我们继续使用命令：jmap -heap PID，这里的PID需替换为获取到的应用PID。执行命令后下图所示：

通过jmap 命令的结果可以清楚的看到当前堆内存的配置，内存使用占比情况。

此外还可以借助jstat（JVM Statistics Monitoring Tool）命令，它是用于监视虚拟机各种运行状态信息的命令行工具。它可以显示本地或者远程虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据，它没有GUI图形界面，只提供了存文本控制台环境的服务器上，它将是运行期定位虚拟机性能问题的重要工具，执行命令：jstat -gcutil 1 后效果如下：

JVM还提供了许多其他诸如：jstack、jinfo等命令均可以结合查看JVM的实时运行情况。

有了JVM运行状况的数据，我们才可以有的放矢，所以请在优化之前，必须有监控数据作为支撑。当通过分析JVM数据后发现，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） 等情况，此时可以适当对JVM参数调整，并持续观察调整过参数的服务器性能与其他未调整的服务器对比，观察性能是否有所改善，通过不断调整，观察，调整，以达到参数处于一个较优的状态。但JVM优化仅仅是一个手段，并不一定所有问题都可以通过JVM进行优化解决，因此，在进行JVM合理优化时，建议遵循以下几个原则：

• 上线之前，应考虑将应用的JVM参数设置到较优状态；

• 应减少创建对象的数量；

• 应减少使用全局变量和大对象；

优先架构优化和代码优化，JVM优化是不得已的手段。

如何利用JVM定位和解决实际问题

假如发现应用突然内存使用耗尽，需进行问题定位，应该如何处理？

内存溢出一般分两种场景，分别是内存使用过度和内存泄露，使用过度指在短时间内急剧耗尽大量内存导致内存溢出，内存泄露指长时间内，内存逐渐耗尽导致内存溢出，时间可能是几个小时或几天(通过开启详细垃圾回收可以清晰地观察到内存的分配情况)，Java系统的内存溢出大部分都是由于内存使用过度导致，内存泄露比较少见。所以我们这里给出一个较通用的定位方法。

1. 首先查找出Java程序的PID命令为：pgrep -lf java

2. 使用jmap命令生成Dump文件：jmap -dump:format=b,file=dump.hprof pid，执行后生成得文件会存放在当前路径下，如下图所示：

   

   format 指定输出格式，file 指定文件名

   有了Dump文件，如何进一步定位问题呢?因为生成的文件并非的doc、txt等文件类型，我们需借助分析工具打开文件内容进一步分析，可借助以下几种工具打开该文件进行分析：

   • Visual VM
   • IBM HeapAnalyzer
   • JDK 自带的Hprof工具
   • MAT(推荐使用)

3. 将Dump文件导入到MAT工具中进行分析

   MAT是MemoryAnalyzerTool的简称，它是一款功能强大的Java堆内存分析器，可以用于查找内存泄漏以及查看内存消耗情况

   用MAT打开hprof文件后一般会进入如下的overview界面，该界面会以饼图的方式显示当前消耗内存最多的几类对象，可以使我们对当前内存消耗有一个直观的印象。

   

4. 点击切换视图，可以看到内存占用百分之八十是因为这个线程，继续点开发现是一个超大的字符串”AikesAikesAikes”

   

   此时我们大概发现了内存溢出的直接原因，接下来要寻找出现这个问题的代码在哪里，再返回到最初的大饼图，点击最下面的details

   

   然后继续点击See stacktrace 堆叠追踪

   

   得出下图可以看到完整的堆栈信息，红框标记的便是定位到的代码位置，至此该问题定位完毕。最后需对该段代码进行详细分析为何会造成生成大对象，造成占用大量的内存空间，从而导致内存溢出问题。

   

总结

JVM 虽平时较少直接使用，但我们的应用却时时刻刻都依赖着它，熟悉它可以帮助我们在遇到各种内存溢出，内存泄漏等问题时指引我们定位问题，同时熟悉它还能引导我们写出更高质量的代码，比如：避免创建大对象，循环创建对象等等。因此学习JVM以及GC是有必要的。

由于篇幅有限，更多的JVM底层知识和细节未能一一列出，后续有机会我们再继续探讨不同JDK版本下JVM的差异性，推出了哪些新的垃圾收集器，性能上做了哪些提升，有哪些优点等等。

参考链接：

1、JVM调优命令大全：https://blog.csdn.net/weixin_44688973/article/details/125793959

2、JVM垃圾回收器介绍和对比：https://blog.csdn.net/weixin_44816664/article/details/128830854

3、Java9新特性：https://blog.csdn.net/qq_34755766/article/details/82906877