1.為什么需要進(jìn)行JVM調(diào)優(yōu)？

假設(shè)我們有一個簡單的Java應(yīng)用程序，它處理大量的數(shù)據(jù)并進(jìn)行復(fù)雜的計算。在運行過程中，我們觀察到應(yīng)用程序的響應(yīng)時間逐漸增加，并且在某些情況下會出現(xiàn)長時間的停頓。為了找出問題的根源，通過分析堆棧日志，我們可以了解每個線程在執(zhí)行過程中的狀態(tài)和行為，從而找到性能瓶頸和潛在的問題。

"Thread-1" #12 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f8e04001800 nid=0x5103 waiting on condition [0x000070000e2ef000]
   java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (sleeping)
        at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
        at com.example.MyApp.processData(MyApp.java:45)
        at com.example.MyApp.run(MyApp.java:23)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

"Thread-2" #13 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f8e04002000 nid=0x5203 waiting on condition [0x000070000e3f2000]
   java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (sleeping)
        at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
        at com.example.MyApp.processData(MyApp.java:45)
        at com.example.MyApp.run(MyApp.java:23)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

"Thread-3" #14 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007f8e04002800 nid=0x5303 waiting on condition [0x000070000e4f5000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
        at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
        - parking to wait for  <0x000000076af8aeb8> (a java.util.concurrent.CountDownLatch$Sync)
        at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175)
        at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.parkAndCheckInterrupt(AbstractQueuedSynchronizer.java:836)
        at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.doAcquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:

997)
        at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer.acquireSharedInterruptibly(AbstractQueuedSynchronizer.java:1304)
        at java.util.concurrent.CountDownLatch.await(CountDownLatch.java:231)
        at com.example.MyApp.processData(MyApp.java:60)
        at com.example.MyApp.run(MyApp.java:23)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

從堆棧日志中，我們可以得到以下信息：

• 有多個線程在運行，每個線程都有一個唯一的線程ID（tid）和線程名稱。
• 線程的狀態(tài)（Thread.State）反映了線程當(dāng)前的活動狀態(tài)，如等待、休眠、阻塞等。
• 每個線程的調(diào)用棧顯示了從線程入口點開始到當(dāng)前執(zhí)行位置的方法調(diào)用鏈。

通過分析堆棧日志，我們可以發(fā)現(xiàn)以下問題和優(yōu)化點：

• 線程等待和休眠：線程處于等待和休眠狀態(tài)，可能是因為某些操作需要等待外部資源的響應(yīng)或者進(jìn)行了不必要的休眠。通過檢查這些操作并嘗試減少等待時間或優(yōu)化休眠邏輯。
• 大量線程執(zhí)行相同的方法：多個線程都在執(zhí)行相同的com.example.MyApp.processData方法。這可能意味著該方法存在性能瓶頸或重復(fù)計算的情況?？梢苑治鲈摲椒úL試優(yōu)化算法或使用并發(fā)技術(shù)來提高處理速度。
• 線程阻塞：示例中的"Thread-3"線程被阻塞在java.util.concurrent.CountDownLatch.await方法上。這可能是因為某個條件沒有被滿足而導(dǎo)致線程無法繼續(xù)執(zhí)行。檢查并確保條件的正確設(shè)置和處理，以避免線程的長時間阻塞。

通過分析堆棧日志，可以深入了解應(yīng)用程序在運行過程中的行為和性能瓶頸。這有助于我們定位和解決問題，進(jìn)而進(jìn)行JVM調(diào)優(yōu)以提升應(yīng)用程序的性能和穩(wěn)定性。

2.什么情況下可能需要JVM調(diào)優(yōu)

堆內(nèi)存持續(xù)增長：如果應(yīng)用程序的堆內(nèi)存持續(xù)增長并且接近或達(dá)到了最大內(nèi)存限制（由 -Xmx 參數(shù)設(shè)置），這可能表明存在內(nèi)存泄漏或者內(nèi)存使用不合理的情況，需要進(jìn)行調(diào)優(yōu)來優(yōu)化內(nèi)存使用。

頻繁的Full GC：如果應(yīng)用程序中頻繁發(fā)生Full GC，即對整個堆進(jìn)行回收的情況，這可能會導(dǎo)致較長的停頓時間和性能下降。調(diào)優(yōu)的目標(biāo)是盡量減少Full GC的次數(shù)。

垃圾回收停頓時間過長：如果垃圾回收的停頓時間超過了可接受的范圍（一般認(rèn)為超過1秒），可能會影響應(yīng)用程序的響應(yīng)性能和用戶體驗。調(diào)優(yōu)的目標(biāo)是減小垃圾回收的停頓時間。

內(nèi)存異常：如果應(yīng)用程序經(jīng)常遇到內(nèi)存異常，如OutOfMemoryError，表明應(yīng)用程序的內(nèi)存使用超出了JVM的限制，需要調(diào)優(yōu)來提高內(nèi)存的利用率和穩(wěn)定性。

大量占用內(nèi)存的本地緩存：如果應(yīng)用程序中使用了大量的本地緩存，并且占用了大量的內(nèi)存空間，可能會導(dǎo)致內(nèi)存不足的問題。調(diào)優(yōu)的目標(biāo)是優(yōu)化緩存策略和內(nèi)存管理，減少內(nèi)存占用。

性能不佳或不穩(wěn)定：如果應(yīng)用程序的吞吐量和響應(yīng)性能不高或不穩(wěn)定，可能是由于內(nèi)存管理不當(dāng)導(dǎo)致的。調(diào)優(yōu)的目標(biāo)是提高應(yīng)用程序的性能和穩(wěn)定性。

需要注意的是，進(jìn)行JVM調(diào)優(yōu)時需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析和優(yōu)化，同時要進(jìn)行充分的測試和驗證，以確保調(diào)優(yōu)的效果和穩(wěn)定性。

3.JVM調(diào)優(yōu)參數(shù)

-Xms: 設(shè)置Java堆的初始大小。
-Xmx: 設(shè)置Java堆的最大大小。
-Xmn: 設(shè)置年輕代的大小。
-XX:NewRatio: 設(shè)置年輕代和老年代的大小比例。
-XX:SurvivorRatio: 設(shè)置Eden區(qū)和Survivor區(qū)的大小比例。
-XX:MaxPermSize（在Java 8及之前版本中使用）或-XX:MaxMetaspaceSize（在Java 8及以后版本中使用）: 設(shè)置永久代（或元空間）的最大大小。
-XX:ParallelGCThreads: 設(shè)置并行垃圾回收的線程數(shù)。
-XX:ConcGCThreads: 設(shè)置并發(fā)標(biāo)記垃圾回收的線程數(shù)。
-XX:+UseConcMarkSweepGC: 啟用并發(fā)標(biāo)記清除垃圾回收器。
-XX:+UseParallelGC: 啟用并行垃圾回收器。
-XX:+UseG1GC: 啟用G1垃圾回收器。
-XX:+UseCompressedOops: 啟用壓縮指針，減小對象引用的內(nèi)存占用。
-XX:MaxGCPauseMillis: 設(shè)置垃圾回收的最大停頓時間目標(biāo)。
-XX:+PrintGCDetails: 打印詳細(xì)的垃圾回收日志。

啟動jar包時可以通過參數(shù)來設(shè)置，如設(shè)置初始堆大小為512MB，最大堆大小為1024MB，年輕代和老年代的比例為3:1，并行垃圾回收線程數(shù)為4。

java -Xms512m -Xmx1024m -XX:NewRatio=3 -XX:ParallelGCThreads=4 -jar springboot.jar

除了命令行參數(shù)外，可以在應(yīng)用程序代碼使用System.setProperty()方法來動態(tài)設(shè)置JVM參數(shù)如：
設(shè)置并行處理的線程池大小為8

System.setProperty("java.util.concurrent.ForkJoinPool.common.parallelism", "8");

4.JVM調(diào)優(yōu)參數(shù)設(shè)置參考

堆內(nèi)存大?。菏褂?Xms和-Xmx參數(shù)設(shè)置堆的最小和最大大小。通常將最小和最大設(shè)置為相同的值，以避免堆的收縮和擴(kuò)展帶來的額外開銷。

年輕代和年老代大小比例：可以通過調(diào)整-XX:NewRatio參數(shù)來調(diào)整年輕代和年老代的大小比例。根據(jù)應(yīng)用程序?qū)ο蟮纳芷诜植己陀^察實際情況，選擇合適的大小比例。

年輕代大小設(shè)置：使用-XX:NewSize和-XX:MaxNewSize參數(shù)設(shè)置年輕代的絕對大小。通常將這兩個值設(shè)置為相同的大小，以避免年輕代的收縮。

年老代收集算法：在配置較好的機(jī)器上，可以選擇并行收集算法來提高年老代的垃圾回收效率。使用-XX:+UseParallelOldGC參數(shù)啟用并行年老代收集器。

線程堆棧大?。耗J(rèn)情況下，每個線程的堆棧大小為1MB?？梢酝ㄟ^調(diào)整-Xss參數(shù)減小線程堆棧大小，以節(jié)省內(nèi)存。

5.JVM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

JVM（Java虛擬機(jī)）是Java程序運行的環(huán)境，它是一個虛擬的計算機(jī)，具有自己的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組件。

1. 類加載器（Class Loader）

類加載器負(fù)責(zé)將Java字節(jié)碼文件加載到內(nèi)存中，并將其轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的類。JVM使用了三個主要的類加載器：啟動類加載器（Bootstrap Class Loader）、擴(kuò)展類加載器（Extension Class Loader）和應(yīng)用程序類加載器（Application Class Loader）。

2. 運行時數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Area）

• 方法區(qū)（Method Area）：用于存儲類的結(jié)構(gòu)信息、常量、靜態(tài)變量等。
• 堆（Heap）：用于存儲對象實例，包括年輕代和年老代。
• 虛擬機(jī)棧（VM Stack）：每個線程在運行時都會創(chuàng)建一個虛擬機(jī)棧，用于存儲局部變量、方法參數(shù)、方法調(diào)用和返回等信息。
• 本地方法棧（Native Method Stack）：用于執(zhí)行本地方法的棧。
• 程序計數(shù)器（Program Counter）：記錄線程當(dāng)前執(zhí)行的字節(jié)碼指令地址。

3. 垃圾收集器（Garbage Collector）

垃圾收集器負(fù)責(zé)自動管理內(nèi)存，回收不再使用的對象。JVM中有多種垃圾收集器可供選擇，如Serial、Parallel、CMS（Concurrent Mark and Sweep）和G1（Garbage First）等。它們采用不同的算法和策略來進(jìn)行垃圾回收。

4. 即時編譯器（Just-In-Time Compiler，JIT）

即時編譯器將Java字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為本地機(jī)器代碼，以提高程序的執(zhí)行效率。JIT根據(jù)代碼的熱點（HotSpot）進(jìn)行動態(tài)編譯，將頻繁執(zhí)行的代碼優(yōu)化為本地機(jī)器代碼。

5. 安全管理器（Security Manager）

安全管理器用于保護(hù)JVM和應(yīng)用程序免受惡意代碼的攻擊。它負(fù)責(zé)檢查和控制Java程序的訪問權(quán)限，確保程序運行在安全的環(huán)境中。

6. JNI（Java Native Interface）

JNI允許Java程序調(diào)用本地方法，與底層系統(tǒng)交互。通過JNI，Java程序可以訪問操作系統(tǒng)的功能和其他編程語言的庫。

6.JVM 調(diào)優(yōu)策略

1. 內(nèi)存管理和垃圾回收優(yōu)化

• 基于實時數(shù)據(jù)分析的垃圾回收：通過實時數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化垃圾回收算法的行為，減少停頓時間和內(nèi)存開銷。
• 分代垃圾回收優(yōu)化：針對不同對象的生命周期，采用不同的垃圾回收策略，例如針對年輕代和老年代的不同處理方式。
• 壓縮指針：使用壓縮指針技術(shù)，減少對象引用所占的內(nèi)存空間，從而增加可用內(nèi)存量。

2. JIT編譯器優(yōu)化

• 激進(jìn)編譯：通過激進(jìn)編譯技術(shù)，將更多的代碼段編譯成本地代碼，提前優(yōu)化關(guān)鍵路徑，減少解釋執(zhí)行的開銷。
• 編譯優(yōu)化反饋循環(huán)：通過收集運行時數(shù)據(jù)，優(yōu)化編譯器的決策過程，更好地適應(yīng)應(yīng)用程序的行為模式。
• 混合模式執(zhí)行：結(jié)合解釋執(zhí)行和即時編譯執(zhí)行，根據(jù)代碼的特征和執(zhí)行頻率，選擇最優(yōu)的執(zhí)行方式。

3. 并發(fā)性優(yōu)化

• 并發(fā)垃圾回收：通過并行和并發(fā)的方式執(zhí)行垃圾回收任務(wù)，充分利用多核處理器的優(yōu)勢，減少垃圾回收的停頓時間。
• 無鎖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：采用無鎖或低鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少線程之間的競爭和阻塞，提高并發(fā)性能。
• 并行算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：設(shè)計并行算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，充分利用多核處理器的并行計算能力，提高應(yīng)用程序的吞吐量和響應(yīng)性能。

4. 使用工具進(jìn)行分析和優(yōu)化

• VisualVM：提供實時監(jiān)控和分析JVM的性能和內(nèi)存使用情況，幫助識別性能瓶頸和內(nèi)存泄漏問題。
• Mission Control：提供高級的分析功能，幫助深入了解應(yīng)用程序的性能特征，并進(jìn)行實時調(diào)優(yōu)。
• Java Flight Recorder：記錄應(yīng)用程序的運行數(shù)據(jù)，可進(jìn)行離線分析和調(diào)優(yōu)。

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