1.概述

有沒有想過為什么Java應(yīng)用程序通過眾所周知的-Xms和-Xmx調(diào)優(yōu)標(biāo)志消耗的內(nèi)存比指定數(shù)量多得多？出于各種原因和可能的優(yōu)化，JVM可以分配額外的本機內(nèi)存。這些額外的分配最終會使消耗的內(nèi)存超出-Xmx限制。

在本教程中，我們將列舉JVM中的一些常見內(nèi)存分配源，以及它們的大小調(diào)整標(biāo)志，然后學(xué)習(xí)如何使用本機內(nèi)存跟蹤監(jiān)視它們。

2.原生分配

堆通常是Java應(yīng)用程序中最大的內(nèi)存使用者，但還有其他人。除了堆之外，JVM還從本機內(nèi)存中分配出一個相當(dāng)大的塊來維護(hù)類的元數(shù)據(jù)，應(yīng)用程序代碼，JIT生成的代碼，內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。在下面的部分中，我們將探討其中的一些分配。

2.1. Metaspace(元空間)

為了維護(hù)有關(guān)已加載類的一些元數(shù)據(jù)，JVM使用名為Metaspace的專用非堆區(qū)域。在Java 8之前，被稱為PermGen或Permanent Generation。 Metaspace或PermGen包含有關(guān)已加載類的元數(shù)據(jù)，而不是它們的實例，它們保存在堆中。

這里重要的是堆大小配置不會影響元空間大小，因為Metaspace是一個堆外數(shù)據(jù)區(qū)。為了限制Metaspace大小，我們使用其他調(diào)優(yōu)標(biāo)志：

-XX：MetaspaceSize和-XX：MaxMetaspaceSize設(shè)置最小和最大元空間大小
在Java 8之前，-XX：PermSize和-XX：MaxPermSize設(shè)置最小和最大PermGen大小

2.2. Threads(線程)

JVM中最耗費內(nèi)存的數(shù)據(jù)區(qū)之一是堆棧，與每個線程同時創(chuàng)建。堆棧存儲局部變量和部分結(jié)果，在方法調(diào)用中起著重要作用。

默認(rèn)的線程堆棧大小取決于平臺，但在大多數(shù)現(xiàn)代64位操作系統(tǒng)中，它大約為1 MB。此大小可通過-Xss調(diào)整標(biāo)志進(jìn)行配置。

與其他數(shù)據(jù)區(qū)域相比，當(dāng)對線程數(shù)沒有限制時，分配給堆棧的總內(nèi)存實際上是無限制的。值得一提的是，JVM本身需要一些線程來執(zhí)行其內(nèi)部操作，如GC或即時編譯。

2.3. Code Cache(代碼緩存)

為了在不同平臺上運行JVM字節(jié)碼，需要將其轉(zhuǎn)換為機器指令。執(zhí)行程序時，JIT編譯器負(fù)責(zé)此編譯。

當(dāng)JVM將字節(jié)碼編譯為匯編指令時，它會將這些指令存儲在稱為代碼緩存的特殊非堆數(shù)據(jù)區(qū)中?？梢韵窆芾鞪VM中的其他數(shù)據(jù)區(qū)一樣管理代碼緩存。 -XX：InitialCodeCacheSize和-XX：ReservedCodeCacheSize調(diào)整標(biāo)志確定代碼緩存的初始值和可能最大值。

2.4. Garbage Collection(垃圾回收)

JVM附帶了一些GC算法，每個算法適用于不同的用例。所有這些GC算法都有一個共同的特點：他們需要使用一些堆外數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來執(zhí)行他們的任務(wù)。這些內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)消耗更多本機內(nèi)存。

2.5. Symbols(符號)

讓我們從 Strings 開始，這是應(yīng)用程序和庫代碼中最常用的數(shù)據(jù)類型之一。由于它們無處不在，它們通常占據(jù)堆的很大一部分。如果大量的這些字符串包含相同的內(nèi)容，那么堆的很大一部分將被浪費。

為了節(jié)省一些堆空間，我們可以存儲每個 String 的一個版本，并讓其他版本引用存儲的版本。此過程稱為 String Interning 。由于JVM只能內(nèi)部編譯時間字符串常量，我們可以手動調(diào)用字符串的intern方法來獲取內(nèi)部編譯字符串。

JVM將實際存儲的字符串存儲在本機特殊固定大小并稱為字符串表的哈希表中，也稱為字符串池。我們可以通過-XX：StringTableSize調(diào)整標(biāo)志配置表大?。赐暗臄?shù)量）。

除了字符串表之外，還有另一個稱為運行時常量池的本機數(shù)據(jù)區(qū)域。 JVM使用此池來存儲常量，如編譯時數(shù)字文字或必須在運行時解析的方法和字段引用。

2.6. Native Byte Buffers(本地字節(jié)緩沖區(qū))

JVM通常有大量分配本機內(nèi)存的嫌疑，但有時開發(fā)人員也可以直接分配本機內(nèi)存。最常見的方法是被JNI調(diào)用的malloc和NIO中可直接調(diào)用的ByteBuffers。

2.7. Additional Tuning Flags(額外的調(diào)整標(biāo)志)

在本節(jié)中，我們針對不同的優(yōu)化方案使用了少量JVM調(diào)優(yōu)標(biāo)志。使用以下提示，我們幾乎可以找到與特定概念相關(guān)的所有調(diào)優(yōu)標(biāo)志：

$ java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep <concept>

PrintFlagsFinal打印JVM中的所有-XX選項。例如，要查找所有與Metaspace相關(guān)的標(biāo)志：

$ java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep Metaspace
// truncated
uintx MaxMetaspaceSize = 18446744073709547520 {product}
uintx MetaspaceSize = 21807104 {pd product}
// truncated

3. 本機內(nèi)存跟蹤 (NMT)

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了JVM中本機內(nèi)存分配的常見來源，現(xiàn)在是時候找出如何監(jiān)視它們了。首先，我們應(yīng)該使用另一個JVM調(diào)優(yōu)標(biāo)志啟用本機內(nèi)存跟蹤：-XX：NativeMemoryTracking = off | sumary | detail。默認(rèn)情況下，NMT處于關(guān)閉狀態(tài)，但我們可以使其查看其觀察的摘要或詳細(xì)視圖。

假設(shè)我們想要跟蹤典型Spring Boot應(yīng)用程序的本機分配：

$ java -XX:NativeMemoryTracking=summary -Xms300m -Xmx300m -XX:+UseG1GC -jar app.jar

在這里，我們在分配300 MB堆空間的同時啟用NMT，G1作為我們的GC算法。

3.1. 實例快照
啟用NMT后，我們可以使用jcmd命令隨時獲取本機內(nèi)存信息：

$ jcmd <pid> VM.native_memory

為了找到JVM應(yīng)用程序的PID，我們可以使用jps命令：

$ jps -l 
7858 app.jar // This is our app
7899 sun.tools.jps.Jps

現(xiàn)在，如果我們將jcmd與適當(dāng)?shù)膒id一起使用，VM.native_memory會使JVM打印出有關(guān)本機分配的信息：

$ jcmd 7858 VM.native_memory

讓我們逐節(jié)分析NMT輸出。

3.2. 總分配

NMT報告全部保留和提交的內(nèi)存如下：

Native Memory Tracking:
Total: reserved=1731124KB, committed=448152KB
保留內(nèi)存表示我們的應(yīng)用程序可能使用的內(nèi)存總量。相反，提交的內(nèi)存表示我們的應(yīng)用程序現(xiàn)在使用的內(nèi)存量。

盡管分配了300MB的堆，我們的應(yīng)用程序的總預(yù)留內(nèi)存幾乎是1.7 GB，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它。類似地，提交的內(nèi)存大約為440 MB，這再次遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過300 MB。

在整體了解之后，NMT報告每個分配源的內(nèi)存分配。所以，讓我們深入探討每個來源。

3.3. Heap(堆)

NMT按我們的預(yù)期報告堆分配：

Java Heap (reserved=307200KB, committed=307200KB)

(mmap: reserved=307200KB, committed=307200KB)

300 MB的保留和已提交內(nèi)存，與我們的堆大小設(shè)置相匹配。

3.4. Metaspace（元空間）

這是NMT關(guān)于加載類的元數(shù)據(jù)的報告：

Class (reserved=1091407KB, committed=45815KB)
(classes #6566)
(malloc=10063KB #8519) 
(mmap: reserved=1081344KB, committed=35752KB)

幾乎保留了1 GB，45 MB保留加載6566個類。

3.5. Thread(線程)
這是關(guān)于線程分配的NMT報告：

Thread (reserved=37018KB, committed=37018KB)
(thread #37)
(stack: reserved=36864KB, committed=36864KB)
(malloc=112KB #190) 
(arena=42KB #72)

總共有36 MB的內(nèi)存被分配給37個線程的堆棧 - 每個堆棧大約1 MB。 JVM在創(chuàng)建時將內(nèi)存分配給線程，因此保留和提交的分配是相等的。

3.6. Code Cache(代碼緩沖區(qū))
讓我們看看NMT對JIT生成和緩存的匯編指令的報告：

Code (reserved=251549KB, committed=14169KB)
(malloc=1949KB #3424) 
(mmap: reserved=249600KB, committed=12220KB)

目前，正在緩存大約13 MB的代碼，這個數(shù)量可能會達(dá)到245 MB。

3.7. GC
以下是有關(guān)G1 GC內(nèi)存使用情況的NMT報告：

GC (reserved=61771KB, committed=61771KB)
(malloc=17603KB #4501) 
(mmap: reserved=44168KB, committed=44168KB)

我們可以看到，保留和已提交都接近60 MB，致力于幫助G1。

讓我們來看看更簡單的GC的內(nèi)存使用情況，比如Serial GC：

$ java -XX:NativeMemoryTracking=summary -Xms300m -Xmx300m -XX:+UseSerialGC -jar app.jar
Serial GC 幾乎使用不到1 MB：

GC (reserved=1034KB, committed=1034KB)
(malloc=26KB #158) 
(mmap: reserved=1008KB, committed=1008KB)

顯然，我們不能僅僅因為其內(nèi)存使用而選擇GC算法，因為串行GC的暫?；厥毡举|(zhì)可能會導(dǎo)致性能下降。但是，還有幾個GC可供選擇，它們各自平衡內(nèi)存和性能。

3.8. Symbol(符號)

以下是有關(guān)符號分配的NMT報告，例如字符串表和常量池：

Symbol (reserved=10148KB, committed=10148KB)
(malloc=7295KB #66194) 
(arena=2853KB #1)

將近10 MB分配給符號。

3.9. 隨著時間的推移的NMT

NMT允許我們跟蹤內(nèi)存分配如何隨時間變化。首先，我們應(yīng)該將應(yīng)用程序的當(dāng)前狀態(tài)標(biāo)記為基線：

$ jcmd <pid> VM.native_memory baseline

Baseline succeeded

然后，過了一會兒，我們可以將當(dāng)前的內(nèi)存使用情況與該基線（baseline）進(jìn)行比較：

$ jcmd <pid> VM.native_memory summary.diff

NMT使用+和 - 符號將告訴我們在此期間內(nèi)存使用情況如何變化：

Total: reserved=1771487KB +3373KB, committed=491491KB +6873KB
- Java Heap (reserved=307200KB, committed=307200KB)
(mmap: reserved=307200KB, committed=307200KB)

- Class (reserved=1084300KB +2103KB, committed=39356KB +2871KB)
// Truncated

保留和提交的總內(nèi)存分別增加了3 MB和6 MB?？梢院苋菀椎匕l(fā)現(xiàn)內(nèi)存分配的其他波動。

3.10. 詳細(xì)的NMT

NMT可以提供非常詳細(xì)的有關(guān)整個存儲空間映射的信息。要啟用此詳細(xì)報告，我們應(yīng)使用 -XX：NativeMemoryTracking =detail 信息調(diào)整標(biāo)志。

4. 結(jié)束語

在本文中，我們列舉了JVM中本機內(nèi)存分配的不同使用者。然后，我們學(xué)習(xí)了如何檢查正在運行的應(yīng)用程序以監(jiān)視其本機分配。借助以上這些，我們可以更有效地調(diào)整應(yīng)用程序以及運行時環(huán)境的大小。

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