性能测试能力提升-JVM GC原理

程序员杨叔 2022-05-16

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一、背景

接着上一篇文章：性能测试能力提升-长连接、短连接、连接池，本篇文章，我们将主要介绍JVM GC原理相关的知识：

什么是JVM
什么是GC
JVM体系结构中GC作用区域
JVM GC分代管理和流转过程
JVM GC收集器介绍

二、JVM GC原理

2.1 什么是JVM

什么是JVM
名词解释：JVM是Java Virtual Machine（Java虚拟机）的缩写；

JVM的作用：
Java语言的一个非常重要的特点就是与平台的无关性，可以跨平台执行。而使用Java虚拟机是实现这一特点的关键。

一般的高级语言如果要在不同的平台上运行，至少需要编译成不同的目标代码。而引入Java语言虚拟机后，使得Java语言编译程序只需生成在Java虚拟机上运行的目标代码（字节码），就可以在多种平台上不加修改地运行。

Java虚拟机在执行字节码时，把字节码解释成具体平台上的机器指令执行。这就是Java的能够“一次编译，到处运行”的原因。

2.2 什么是GC

名词解释：
Garbage Collections 字面意思是垃圾回收器，释放垃圾占用的空间。

GC的作用：
让创建的对象不需要像c、c++那样delete、free掉。对于c、c++的开发人员来说内存是开发人员分配的，也就是说还要对内存进行维护和释放。

对于Java程序员来说，一个对象的内存分配是在虚拟机的自动内存分配机制的帮助下，不再需要为每一个new操作去写配对的delete/free代码，而且不容易出现内存泄露和内存溢出问题，但是，如果出现了内存泄露和内存溢出问题，而开发者又不了解虚拟机是怎么分配内存的话，那么定位错误和排除错误将是一件很困难的事情。

GC工作原理：
当应用线程在运行,并在运行过程中创建新对象,若这时内存空间不足,JVM就会强制地调用GC线程,以便回收内存用于新的分配。若GC一次之后仍不能满足内存分配的要求,JVM会再进行两次GC作进一步的尝试,若仍无法满足要求,则 JVM将报“out of memory”（内存溢出）的错误,Java应用将停止。

2.3 JVM体系结构中GC作用区域

堆(heap):
它是JVM用来存储对象实例以及数组值的区域，可以认为Java中所有通过new创建的对象的内存都在此分配，Heap中的对象的内存需要等待GC进行回收。

1.堆是JVM中所有线程共享的，因此在其上进行对象内存的分配均需要进行加锁，这也导致了new对象的开销是比较大的

2.Sun Hotspot JVM为了提升对象内存分配的效率，对于所创建的线程都会分配一块独立的空间TLAB（Thread Local Allocation Buffer），其大小由JVM根据运行的情况计算而得，在TLAB上分配对象时不需要加锁，因此JVM在给线程的对象分配内存时会尽量的在TLAB上分配，在这种情况下JVM中分配对象内存的性能和C基本是一样高效的，但如果对象过大的话则仍然是直接使用堆空间分配

3.TLAB仅作用于新生代的Eden Space，因此在编写Java程序时，通常多个小的对象比大的对象分配起来更加高效。

方法区（Method Area）

1.在Sun JDK中这块区域对应的为PermanetGeneration，又称为持久代。

2.方法区域存放了所加载的类的信息（名称、修饰符等）、类中的静态变量、类中定义为final类型的常量、类中的Field信息、类中的方法信息，当开发人员在程序中通过Class对象中的getName、isInterface等方法来获取信息时，这些数据都来源于方法区域。同时方法区域也是全局共享的，在一定的条件下它也会被GC，当方法区域需要使用的内存超过其允许的大小时，会抛出OutOfMemory的错误信息。

三、JVM GC分代管理和流转过程

3.1 GC分代管理策略

GC分为永久代（Perm区域，对应方法区）、新生代（Eden，S0，S1区域）、老年代（Old区域）。

永久代：存放的为一些class的信息、常量、静态变量等数据。当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时可能占满，触发GC。
新生代：存放生命周期较短的对象，GC频率高。
老年代：存放新生代中经历多次GC依然存活的对象，新建的对象也有可能直接在老生代分配（比如大对象），取决于具体GC的实现。GC频率相对较低。

GC类型主要分为：
MinorGC/YoungGC：只是新生代（Eden，S0，S1）的垃圾收集
MajorGC/OldGC：只是老年代的垃圾收集。
FullGC：收集整个java堆（新生代、老年代）和方法区（永久代）的垃圾收集。

注意：只有CMS收集器会有单独收集老年代的行为，其他收集器均无此行为，老年代空间不足会直接触发Full GC。而针对新生代的MinorGC，各个收集器均支持。

总之，单独发生收集行为的只有新生代，除了CMS收集器，都不支持单独回收老年代。这也是为什么我们经常提到的只有Young GC和Full GC，而很少提到Old GC的原因。

流转过程：
EdenSpace(Eden区一次Young GC)=》FromSpace（S0区一次Young GC）=》ToSpace（S1区一次Young GC）=》对象移至老生代=》老年代空间不足=》触发Full GC

3.2 触发Full GC的常见情况

1. System.gc()方法的调用：此方法的调用是建议JVM进行Full GC,虽然只是建议而非一定,但很多情况下它会触发 Full GC,从而增加Full GC的频率,也即增加了间歇性停顿的次数。强烈影响系统性能。建议能不使用此方法就别使用，让虚拟机自己去管理它的内存，可通过通过-XX:+ DisableExplicitGC来禁止RMI调用System.gc。

2. 老年代空间不足：如果某个(些)对象(原来在内存中存活的对象或者新创建的对象)由于以上原因需要被移动到老年代中，而老年代中没有足够空间容纳这个(些)对象，那么会触发一次Full GC。

3. 永久代空间不足：Permanet Generation（方法区）中存放的为一些class的信息、常量、静态变量等数据，当系统中要加载的类、反射的类和调用的方法较多时，Permanet Generation可能会被占满，在未配置为采用CMS GC的情况下也会执行Full GC。

Full GC的执行时间比Minor GC要长很多。因此，如果Full GC花费了太多的时间（比如超过1秒），一些连接的部分可能会发生超时错误。要尽量减少触发Full GC。

3.3 JVM GC收集器介绍

各类收集器解释：