1. CMS (Concurrent-Mark-Sweep)

在 JDK 1.5 时期，HotSpot 推出了一款在强交互应用中几乎可认为有划时代意义的垃圾收集器：CMS 收集器，这款收集器是 HotSpot 虚拟机中第一款真正意义上的并发收集器，它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程同时工作。

CMS 收集器的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间。停顿时间越短（低延迟）就越适合与用户交互的程序，良好的响应速度能提开用户体验。

• 目前很大一部分的 Java 应用集中在互联网站或者 B/S 系统的服务端上，这类应用尤其重视服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验。CMS 收集器就非常符合这类应用的需求。

CMS 的垃圾收集算法采用标记-清除算法，并且也会“stop-the-world”

不幸的是，CMS 作为老年代的收集器，却无法与 JDK 1.4. 中已经存在的新生代收集器 Parallel Scavenge 配合工作，所以在 JDK 1.5 中使用 CMS 来收集老年代的时候，新生代只能选择 ParNew 或者 Serial 收集器中的一个。

在 G1 出现之前，CMS 使用还是非常广泛的。一直到今天，仍然有很多系统使用 CMS GC。

CMS 垃圾清理过程：当堆内存使用率达到某一阈值时，便开始进行回收。

• 初始标记（STW）：暂时时间非常短，标记与 GC Roots 直接关联的对象。
• 并发标记（最耗时）：从 GC Roots 开始历整个对象图的过程，不会停顿用户线程。
• 重新标记（STW）：修复并发标记环节，因为用户线程的执行，导致数据的不一致性问题
• 并发清理(最耗时)

有人会觉得既然 Mark Sweep 会造成内存碎片，那么为什么不把算法换成 Mark Compact 呢？

因为当并发清除的时候，用 Compact 整理内存的话，原来的用户线程使用的内存还怎么用呢？要保证用户线程能继续执行，前提的它运行的资源不受影响嘛。Mark-Compact 更适合“stop the World”这种场景下使用。

参数：

• -XX:+UseConcMarkSweepGC手动指定使用 CMS 收集器执行内存回收任务
  • 开启该参数后会自动将-XX:+UseParNewGC打开。即：ParNew（Young区用）+CMS（old区用）+Serial old 的组合。
• -XX:CMSInitiatingOccupanyFraction设置堆内存使用率的阙值，一旦达到该阙值，便开始进行回收。
  • JDK5 及以前版本的默认值为 68,即当老年代的空间使用率达到 68% 时，会执行一次 CMS 回收。JDK6 及以上版本默认值为 92%
  • 如果内存增长缓慢，则可以设置一个稍大的值，大的阙值可以有效降低CMS的触发频率，减少老年代回收的次数可以较为明显地改善应用程序性能。反之，如果应用程序内存使用率增长很快，则应该降低这个阙值，以避免频繁触发老年代串行收集器。因此通过该选项便可以有效降低Full GC 的执行次数。
• -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection用于指定在执行完 Full GC 后对内存空间进行压缩整理，以此避免内存碎片的产生。不过由于内存压缩整理过程无法并发执行，所带来的问题就是停顿时间变得更长了。
• -XX:CMSFulGCsBeforeCompaction设置在执行多少次 Full GC 后对内存空间进行压缩整理。

2. G1 (Garbage First)

G1 将内存划分为一个个的 region。内存的回收是以 region 作为基本单位的。Region 之间是复制算法，但整体上实际可看作是标记-压缩（Mark-Compact）算法，两种算法都可以避免内存碎片。这种特性有利于程序长时间运行，分配大对象时不会因为无法找到连续内存空间而提前触发下一次 GC。尤其是当 Java 堆非常大的时候，G1 的优势更加明显。

参数：

• -XX: +UseG1GC手动指定使用G1收集器执行内存回收任务。
• -XX:G1HeapRegionSize设置每个 Region 的大小。值是 2 的幂，范围是 1MB 到 32MB 之间，目标是根据最小的 Java 堆大小划分出约 2048 个区域。默认是堆内存的 1/2000。
• -XX:MaxGCPauseMillis 设置期望达到的最大 GC 停顿时间指标（JVM会尽力实现，但不保证达到）。默认值是200ms。（主要优化参数）
• -XX:ParallelGCThread设置 STW 时 GC 线程数的值。最多设置为 8。
• -XX:ConcGCThreads设置并发标记的线程数。将n设置为并行垃圾回收线程数（ParallelGCThreads）的1/4左右。
• -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent设置触发并发 GC 周期的 Java 堆占用率阙值。超过此值，就触发GC。默认值是45。

G1 GC 的垃圾回收过程主要包括如下三个环节：

• 年轻代 GC（Young GC）
• 老年代并发标记过程（Concurrent Marking）
• 混合回收 (Mixed GC)：整个 Young Region 加一部分 Old Region
• （如果需要，单线程、独占式、高强度的 Full GC 还是继续存在的。它针对 GC 的评估失败提供了一种失败保护机制，即强力回收。）

3. GC 评估指标

• 吞吐量：程序的运行时间/(程序的运行时间+内存回收的时间)
• 垃圾收集开销：吞吐量的补数，垃圾收集器所占时间与总时间的比例。
• 暂停时间： 执行垃圾收集时，程序的工作线程被暂停的时间。
• 收集频率：相对于应用程序的执行，收集操作发生的频率。
• 内存占用：Java 堆区所占的内存大小。
• 快速：一个对象从诞生到被回收所经历的时间。

吞吐量优先：单位时间内，STW 的时间最短 响应时间优先：尽可能让单次 STW 的时间最短

现在 JVM 调优标准：在最大吞吐量优先的情况下，降低停顿时间。

4. 各 GC 使用场景

5. JVM 常用参数

通常会将-Xms和-Xmx两个参数配置相同的值，其目的是为了能够在 java 垃圾回收机制清理完堆区后不需要重新分隔计算堆区的大小，从而提高性能。

手动生成 dump 文件：

• jmap -dump:format=b,file= <进程pid>
• jmap -dump:live,format=b,file= <进程pid>

6. OOM 案例

栈空间溢出 StackOverFlow，一般也不称为 OOM。

• 堆溢出：不断创建对象
• 元空间溢出：不断创建代理类

while (true) {
    Enhancer enhancer = new Enhancer();
    enhancer.setSuperclass(SecurityProperties.User.class);
    enhancer.setUseCache(false);
    enhancer.setCallback(new MethodInterceptor() {
        @Override
        public Object intercept(Object obj, Method method, Object[] args, MethodProxy proxy) throws Throwable {
            return proxy.invoke(obj, args);
        }
    });
    Object o = enhancer.create();
}

• GC overhead limit exceeded：垃圾回收效率不足，提前报异常
• 线程溢出：创建了大量线程

7. JVM 调优

JVM 监控及诊断工具

• 命令行：

  • jps -l

  • jstat -gc <进程pid> <时间间隔> <打印次数>

  • jinfo -flag <查询的参数> <进程pid>

  • jmap

  • jstack <进程pid> > <日志文件地址>

• GUI：Visual VM、eclipse MAT、Arthas

为什么要调优？

• 防止出现 OOM，进行 JVM 规划和预调优
• 解决程序运行中各种 OOM
• 减少 Full GC 出现的频率，解决运行慢、卡顿问题

调优监控的依据：运行日志、异常堆栈、GC 日志、线程快照、堆转储快照

性能优化的步骤：

• 第1步：熟悉业务场景
• 第2步（发现问题）：性能监控：GC 频繁、cpu load 过高、OOM、内存泄漏、死锁、程序响应时间较长
• 第3步（排查问题）：性能分析：
  • 打印GC日志，通过GCviewer或者http://gceasy.io来分析日志信息
  • 灵活运用命令行工具，jstack，jmap，jinfo等
  • dump 出堆文件，使用内存分析工具分析文件
  • 使用阿里 Arthas，或 jconsole，JVisualVM 来实时查看 JVM
  • jstack 查看堆栈信息
• 第4步（解决问题）：性能调优
  • 适当增加内存，根据业务背景选择垃圾回收器
  • 优化代码，控制内存使用
  • 增加机器，分散节点压力
  • 合理设置线程池线程数量
  • 使用中间件提高程序效率，比如缓存，消息队列等
  • 其他......

JIT 在解释运行的时候才会进行优化，所以编译生成的字节码文件不会做同步消除（消除无效锁）。

public void function(){
    object o = new Object();
    synchronized(o){...}
}

标量替换：在 JIT 阶段，如果经过逃逸分析，发现一个对象（那些还可以分解的数据叫做聚合量 Aggregate）不会被外界访问的话，那么经过 JIT 优化，就会把这个对象拆解成若干个其中包含的若干个成员变量来代替。

官方推荐设置：

• Java 整个堆大小设置，Xmx 和 Xms 设置为老年代存活对象的 3-4 倍，即 FullGC 之后的老年代内存占用的 3-4 倍。
• 方法区（永久代 PermSize 和 MaxPermSize 或 元空间 MetaspaceSize 和 MaxMetaspaceSize）设置为老年代存活对象的 1.2-1.5 倍。
• 年轻代Xmn的设置为老年代存活对象的 1-1.5 倍

CPU 占用很高排查方案：

• ps aux l grep java 查看到当前 java 进程使用 cpu、内存、磁盘的情况获取使用量异常的进程
• top -Hp <进程pid> 检查当前使用异常线程的 pid
• 把线程 pid 变为 16 进制如 31695 -> 0x7c8f，jstack <进程pid> | grep -A20 0x7c8f 得到相关进程的代码

8. 垃圾回收

可作为 gc roots 的对象：

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
• 本地方法栈中 JNI（即一般说的 Native 方法）引用的对象
• 方法区中类静态属性引用的对象
• 方法区中常量引用的对象

9. HotSpot 垃圾分代回收算法

默认情况下新生代占 1/3，老年代占 2/3

绝大多数对象在新生代中被创建，这里的垃圾回收非常频繁且速度很快

新生代通常采用复制算法，由于存活对象少，复制成本很低

新生代分为 Eden、Surivivor from、Surivivor to 区，占比 8:1:1

Eden 填满后触发一次新生代的垃圾回收，称为 minor gc，存活对象复制到任一 Surivivor 区，然后将 Eden 区清空即可完成这次 gc，Surivivor from 区的存活对象会复制到另一个 Surivivor to 区，这里需要保证 to 区为空

• 存活超过复制次数阈值（默认 15）会被复制到老年代

• Surivivor 空间不够容纳存活对象时，也会直接进入老年代

• 大数组或者特别大的字符串

老年代通常使用标记整理算法进行回收，将存活对象向一端进行移动，称为 major gc

10. G1/CMS 并发标记原理

三色标记：

• 白色：没有被访问过 -> 垃圾对象
• 黑色：包括其引用都被访问过
• 灰色：被访问过，但还存在一些引用没有被访问

对象消失问题：扫描过程中插入了一条或多条从黑色对象到白色对象的新引用，并且同时去掉了灰色对象到该白色对象的直接引用或者间接引用。

解决方法，破坏上述两个条件之一即可：

• 增量更新：记录引用关系，并发扫描结束后根据记录重新扫描一次 -> CMS

• 原始快照（SATB）：记录 -> G1

JVM_垃圾收集之三色标记算法详解

CMS 缺点：占用 CPU 资源，不超过 25%；浮动垃圾；内存碎片

11. 其他垃圾回收算法

Serial：JDK 1.3 版本之前唯一的串行垃圾回收器，Stop The World

ParNew：多线程垃圾回收，只负责新生代的垃圾回收，可以配合 Serial Old 和 Concurrent Mark Swap 处理老年代

Parallel Scavenge：也是新生代的收集器，可控制吞吐量，gc 自适应，配合 Parallel old 处理老年代

12. 类加载机制

类的生命周期：（class 文件 -> Java虚拟机内存 -> 卸载）

• 加载 -> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化 -> 使用 -> 卸载

类的加载过程：

• 加载：查找并加载类的二进制数据（Class文件）
  • 方法区：类的类信息
  • 堆：Class 文件对应的类实例
• 验证：确保加载的类信息是正确的
• 准备：为类的静态变量进行初始化，分配空间并赋予初始值。例如：public static int a = 1; 在准备阶段对静态变量 a 赋默认值 0
• 解析：是将符号应用转换为直接引用
• 初始化：JVM 对类进行初始化，对静态变量赋予正确值。例如：public static int a = 1;这个时候才对静态变量 a 赋初始值 1
  • 静态代码块

13. String

String 代表的是 Java 中的字符串 ， String 类比较特殊，它整个类都是被 final 修饰的，也就是说，String 不能被任何类继承，任何修改 String 字符串的⽅法都是创建了⼀个新的字符串（保证了线程安全性）。

不可变对象不是真的不可变，可以通过反射来对其内部的属性和值进⾏修改，不过⼀般我们不这样做。

方法String.intern()：在 jdk1.7 及以后调⽤intern()⽅法是判断运⾏时常量池中是否有指定的字符串，如果没有的话，就把字符串添加到常量池（jdk1.8 之后，字符串常量池在堆中）中，并返回常量池中的对象。

String a = new String("ab");
String b = new String("ab");
String c = "ab";
String d = "a";
String e = new String("b");
String f = d + e; // + 号相当于是执行 new StringBuilder.append(), 但每次都会new StringBuilder()，所以多次拼接建议自建 StringBuilder
String g = "a" + "b"; // 编译器会优化，会直接被优化为bbbccc，也就是直接创建了一个 bbbccc 对象

System.out.println(a.intern() == b);          //false
System.out.println(a.intern() == b.intern()); //true
System.out.println(a.intern() == c);          //true
System.out.println(a.intern() == f);          //false
//equals()方法作对比都是true

14. Java 对象的内存布局

• 对象头（Object Header）：包括了关于堆对象的布局、类型、GC状态、同步状态和标识哈希码的基本信息。Java对象和vm内部对象都有一个共同的对象头格式。
  • Markword：用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等等。
  • 类型指针：是对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
• 实例数据（Instance Data）：主要是存放类的数据信息，父类的信息，对象字段属性信息。
• 对齐填充（Padding）：为了字节对齐，填充的数据，不是必须的。