互联网三高-高性能之JVM调优

1 运行时数据区

        JVM运行时数据区是Java虚拟机管理的内存核心模块，主要分为线程共享和线程私有两部分。

        （1）线程私有

                        ① 程序计数器：存储当前线程执行字节码指令的地址，用于分支、循环、异常处理等流程控制‌

                        ② 虚拟机栈：存储方法调用的栈帧，包含局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等‌

                        ③ 本地方法栈：服务于Native方法（如C/C++实现的方法）的执行，结构与虚拟机栈类似‌

        （2）线程共享

                        ① 堆：存储对象实例和数组，是垃圾回收（GC）的主要区域‌

                        ② 方法区：存储类元信息（如类名、字段、方法）、运行时常量池、静态变量、即时编译后的代码等‌（JDK 8及之后：元空间（MetaSpace），使用本地内存）

2 三大GC算法

        2.1 标记-复制算法（年轻代）

                原理：将内存分为两块（如Eden区和Survivor区），每次仅使用一块；存活对象复制到未使用的内存块，原内存块整体回收‌

                优点：无内存碎片，对象分配效率高‌

                缺点：需要一块内存；复制对象过程比较耗时

        2.2 标记-清除算法

                原理：从GC Roots出发，标记所有可达对象（标记）；回收未被标记的对象即垃圾（清除）‌

                优点：实现简单，无需移动对象

                缺点：有内存碎片问题，可能导致后续大对象分配失败‌

        2.3 标记-整理算法

                原理：从GC Roots出发，标记所有可达对象（标记）；将存活对象向内存一端移动，清理边界外的空间‌（整理）

                优点：避免内存碎片，支持连续内存分配‌

                缺点：整理过程需STW；复制对象过程比较耗时

        无论什么GC回收算法，第一阶段都是标记，根据根可达性分析，从GC Roots出发开始遍历访问，找出有效对象。

        2.4 标记算法—三色标记法

                三色

                        ① 白色：尚未遍历过

                        ② 黑色：本对象已经遍历过，而且本对象引用的其他对象也全部遍历过

                        ③ 灰色：本对象已经遍历过，而且本对象引用的其他对象尚未全部遍历完

                基本流程

                        ① 初始阶段：所有对象都在【白色集合】中

                        ② 将GC Roots直接引用的对象挪到【灰色集合】中，并将其从【白色集合】中去掉

                        ③ 从【灰色集合】中获取对象，将本对象引用的其他对象全部挪到【灰色集合】中，并从【白色集合】中去掉，将本对象挪到黑色集合中

                        ④ 重复 步骤③ 操作，直至【灰色集合】为空时结束

                        ⑤ 结束后，仍在【白色集合】中的对象就是垃圾，可以回收

说明：图片引用自 https://zhuanlan.zhihu.com/p/664929804?utm_id=0

3 常见垃圾收集器

        3.1 新生代（标记-复制算法）

                Serial New：单线程收集器

                ParNew：并行收集器（Serial多线程版本）

                Parallel Scavenge：并行回收，追求高吞吐量，高效利用CPU

        3.2 老年代

                Serial Old：单线程收集器（标记-整理算法）

                Parallel Old：并行收集器（标记-整理算法）

                CMS：以‌低停顿‌为目标，分阶段并发执行<初始标记、并发标记、重新标记、并发清除>（标记-整理算法）

                        （1）步骤：

                                ① 初始标记：SWT，仅标记GC Roots能直接关联的对象，速度比较快

                                ② 并发标记：可以和用户线程并发执行，通过GC Roots可达性算法标记所有可达对象

                                ③ 重新标记：STW，对并发标记阶段产生的垃圾对象进行标记修正，以及更新逃逸对象

                                ④ 并发清除：可以和用户线程并发执行，清除可回收对象

                        （2）优点：支持并发收集，低停顿，能保证短时间内执行完成，达到近似并发目的

                        （3）缺点：

                                ① 无法清理浮动对象

                                ② 使用标记-清除算法，会产生大量内存碎片

                                ③ 必须要在老年代用尽之前完成垃圾回收，否则会触发担保机制，退化成Serial Old收集器来进行垃圾回收，效率低下

                        （4）使用场景：老年代垃圾回收，需低停顿的交互式应用；堆内存不宜过大（避免并发标记耗时过长）‌

                        （5）配置参数

                                -XX:+UseConcMarkSweepGC：启用CMS收集器‌

                                -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction：设置触发CMS回收的老年代使用率阈值（默认92%）‌

                                -XX:+CMSParallelRemarkEnabled：启用并行重新标记（减少重新标记时间）‌

        3.3 不分代

                G1：将堆划分为多个大小相等的Region，采用‌标记-整理算法‌（全局）和‌标记-复制算法‌（局部）

                        （1）原理：分治法，将堆分成若干个等大的区域Region（默认2048个，每个1-32MB）

                        （2）优点： ‌低停顿；基于标记-整理算法无内存碎片；大堆友好‌，支持TB级堆内存

                        （3）缺点：

                                ① 内存占用‌：维护RSet（记忆集）和CSet（回收集）需额外内存‌

                                ② CPU消耗‌：并发标记和RSet更新增加CPU开销‌

                                ③ 复杂调优‌：需平衡停顿时间、吞吐量和Region大小等参数‌

                        （4）使用场景：大内存服务端应用；低延迟需求‌；JDK 9+默认收集器‌

                        （5）配置参数

                                -XX:+UseG1GC：启用G1收集器‌

                                -XX:MaxGCPauseMillis：设置最大GC停顿时间目标（默认200ms）‌

                                -XX:G1HeapRegionSize：指定Region大小（需为2的幂）‌

                                -XX:G1MixedGCLiveThresholdPercent：设置混合GC中Region存活对象占比阈值（默认85%，高于此值不回收）‌

                ZGC：基于‌并发标记-整理算法‌，使用染色指针和读屏障技术，实现亚毫秒级停顿（支持TB级堆内存管理）

4 JDK各版本默认使用垃圾收集器

        ‌≤1.5‌    Serial + Serial Old

        1.8‌    Parallel Scavenge+ Parallel Old

        9~21‌    G1

        11/17/21‌    新增ZGC/Shenandoah/Epsilon

通过命令行查看当前JDK默认垃圾收集器
java -XX:+PrintCommandLineFlags -version