Java性能优化 · JVM篇

关于 JVM 有一本非常经典的书籍，周志明老师的《深入理解 Java 虚拟机》，本篇的内容在该书中几乎都能找到，我也写了关于本书的读书笔记，经典图书-深入理解Java虚拟机。

本来想重新整理一下，想了想还是 Don’t repeat yourself，关于内存模型、即时编译、垃圾回收和 GC，在读书笔记中都整理过了。

因此这里不再重复，只介绍下 Java 内存问题的排查路径，当然还是要先介绍一些前置知识。

对象生存周期

• 新建对象优先分配到 Eden 区
• 对象有对象年龄计数器（-XX:MaxTenuringThreshold 设置）
• Eden 空间不足时，JVM 执行 Minor GC，将存活对象转移到 Survivor 中，年龄 +1
• 对象在 Survivor 中经历 Minor GC，每经过一次 Minor GC，年龄 +1
• 可通过 -XX:PetenureSizeThreshold 设置直接被分配到老年代的最大对象阈值

JVM 堆内存分配默认值

java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep HeapSize
jmap -heap <pid>

JDK 1.7 默认比例：

• 年轻代 : 老年代 = 1 : 2（可通过 -XX:NewRatio 重置）
• Eden : To Survivor : From Survivor = 8 : 1 : 1（可通过 -XX:SurvivorRatio 重置）

JDK 1.8：

• 默认开启 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy，JVM 动态调整 Java 堆各区域大小以及进入老年代的年龄
• 开启自适应策略后，-XX:NewRatio 和 -XX:SurvivorRatio 将会失效
• **不要随便关闭 UseAdaptiveSizePolicy**，除非已对堆内存/年轻代/老年代/Eden/Survivor 有非常明确的规划，否则 JVM 将分配最小堆内存，默认比例分配未必是最佳配置

JVM 内存分配不合理最直接的表现是频繁的 GC，导致上下文切换等性能问题，降低系统吞吐量、增加响应时间。在线上或性能测试时发现频繁 GC（且是正常的对象创建和回收），就需要考虑调整 JVM 内存分配。

Linux 命令行工具

top 命令：

top
top -Hp <pid>    # 查看具体线程使用系统资源情况

实时显示 CPU 使用率、内存使用率、系统负载等信息。

vmstat 命令：

• 指定采样周期和次数的功能性监测工具
• 不仅统计内存使用，还可观测 CPU 使用率、swap 使用情况
• 经常被用来观察进程的上下文切换

关键字段：r（等待运行进程数）、b（非中断睡眠进程数）、swpd（虚拟内存）、free（空闲内存）、si/so（交换页数量）、bi/bo（块设备块数）、in（每秒中断数）、cs（每秒上下文切换次数）、us/sy/id/wa/st（CPU 时间）

pidstat 命令（Sysstat 组件，yum install sysstat）：

pidstat -p <pid> -r 1 3       # 监控内存
pidstat -p <pid> -t            # 查看线程级内存使用率

参数	说明
-u	默认参数，显示各进程 CPU 使用情况
-r	显示各进程内存使用情况
-d	显示各进程 I/O 使用情况
-w	显示每个进程的上下文切换情况
-p	指定进程号
-t	显示进程中线程的统计信息

关键指标：Minflt/s（次要错误）、Majflt/s（主要错误）、VSZ（虚拟地址大小）、RSS（常驻集合大小）

JDK 工具

jstat 命令：

jstat -gc <pid>                # 查看堆内存使用情况

• -class：显示 ClassLoad 信息
• -compiler：显示 JIT 编译信息
• -gc：显示和 gc 相关的堆信息
• -gccapacity：显示各代容量及使用情况
• -gcmetacapacity：显示 Metaspace 大小
• -gcnew：显示新生代信息
• -gcnewcapacity：显示新生代大小和使用情况
• -gcold：显示老年代和永久代信息
• -gcoldcapacity：显示老年代大小
• -gcutil：显示垃圾收集信息
• -gccause：显示 GC 相关信息和诱因
• -printcompilation：输出 JIT 编译方法信息

jstat -gc 输出字段：

• S0C/S1C：年轻代 To/From Survivor 容量
• S0U/S1U：年轻代 To/From Survivor 已使用空间
• EC/EU：年轻代 Eden 容量/已使用空间
• OC/OU：Old 代容量/已使用空间
• MC/MU：Metaspace 容量/已使用空间
• YGC/YGCT：年轻代 GC 次数/总时间
• FGC/FGCT：Full GC 次数/总时间
• GCT：GC 用的总时间

jstack 命令：

jstack <pid>

线程堆栈分析工具，查看线程堆栈信息、线程 ID、状态（wait/sleep/running）、是否持有锁，常与 top -Hp 或 pidstat -p -t 结合使用，常用于排查死锁异常。

jmap 命令：

jmap -heap <pid>                       # 查看堆内存初始化配置及使用情况
jmap -histo[:live] <pid>               # 查看堆内存中对象数目、大小统计直方图
jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>   # dump 堆内存到文件

注意：dump 出的文件用 MAT（Memory Analyzer Tool） 工具分析。

内存溢出 vs 内存泄漏

概念	说明
内存泄漏	不再使用的对象无法及时回收，持续占用内存空间，造成浪费（如 Java 6 substring 复用原 char 数组导致大字符串无法回收）
内存溢出（OOM）	发生 OutOfMemoryException，堆内存、栈、方法区空间不足时发生
关系	内存泄漏很容易导致内存溢出，但内存溢出不一定是内存泄漏导致

关键调优参数

内存相关

参数	说明
-Xms	堆初始大小
-Xmx	堆最大值
-Xmn	年轻代大小
-XX:NewRatio	年轻代与老年代比例
-XX:SurvivorRatio	Eden 与 Survivor 区比例
-XX:MaxTenuringThreshold	对象年龄计数器阈值
-XX:PetenureSizeThreshold	直接分配到老年代的最大对象阈值
-XX:MetaspaceSize	元空间大小
-XX:+UseAdaptiveSizePolicy	开启自适应大小策略（JDK 1.8 默认开启）

JIT 编译相关

参数	说明
-client / -server	强制指定 JIT 模式（Java 8 后无效）
-XX:+TieredCompilation	开启分层编译（默认）
-XX:-TieredCompilation	关闭分层编译，只用 C2
-XX:TieredStopAtLevel=1	分层编译时只用 C1
-Xint	强制只有解释器
-Xcomp	强制只有 JIT
-XX:CompileThreshold=N	方法调用计数器阈值
-XX:OnStackReplacePercentage=N	回边计数器阈值
-XX:MaxFreqInlineSize=N	经常执行方法的内联大小（默认 325 字节）
-XX:MaxInlineSize=N	非经常执行方法的内联大小（默认 35 字节）

JIT 优化相关

参数	说明
-XX:+DoEscapeAnalysis	开启逃逸分析（默认）
-XX:+EliminateLocks	开启锁消除（默认）
-XX:+EliminateAllocations	开启标量替换（默认）
-XX:+PrintCompilation	打印编译过程信息
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions	解锁 JVM 诊断选项
-XX:+PrintInlining	打印内联方法

GC 相关

参数	说明
-XX:+PrintGC	输出 GC 日志
-XX:+PrintGCDetails	输出 GC 详细日志
-XX:+PrintGCTimeStamps	输出 GC 时间戳（基准时间）
-XX:+PrintGCDateStamps	输出 GC 时间戳（日期形式）
-XX:+PrintHeapAtGC	GC 前后打印堆信息
-Xloggc:./gclogs	日志文件输出路径
-XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=N	G1 触发 Mix GC 的堆占用阈值（默认 45）
-XX:MaxGCPauseMillis=N	G1 目标停顿时间（默认 200ms）

OOM Dump 相关

参数	说明
-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError	堆内存异常时 dump
-XX:HeapDumpPath=/tmp/heapdump.hprof	dump 文件路径

一定要注意：JVM 调优先观察后动手，默认配置在大部分场景下效果都不错，一定要基于监控数据（top、vmstat、pidstat、jstat、jstack、jmap）和 GC 日志调整。