【从Java面试题看源码】-Java性能优化

性能分析的方法

自顶向下：通过软件栈顶层的应用，从上往下寻找优化机会和问题

自底向上：从软件栈底层的CPU统计数据（如CPU高速缓存未命中率）开始，逐渐上升到应用自身的结构或使用方式，从而发现优化机会

收集系统、jvm信息

• 查看进程dump

jstack pid进程id > dump.txt

• 查看IO是否有问题

iostat -dx 1

主要看%util，cpu在IO上花的资源

• 查看哪个进程IO占用高，安装IOTOP命令

yum install iotop

• 查看堆情况

jmap -heap

• jstat 使用

jstat - [-t] [-h] [ []]

参数interval、count 代表查询间隔和次数，如果省略这两个参数，说明只查询一次，假设需要每250毫秒查询一次进程5828垃圾收集状况，一共查询5次，那么命令如下

jstat -gc 5828 250 5

1. -class 类加载统计信息

jstat -class 3400 1000 100

1. -gc

jstat -gc pid

1. -gccapacity 输出堆各个区域使用的最大和最小空间

jstat -gccapacity  3400 20 20

1. -gcutil 查看gc的统计信息，关注点主要是 已使用/总空间的占比情况

jstat -gcutil 31798

参数含义：

1. -gcnew 新生代垃圾回收统计

JVM调优手段

常见配置汇总 堆设置

-Xms: 初始堆大小

-Xmx: 最大堆大小

-Xmn: 年轻代大小

-XX:NewSize=n: 设置年轻代初始大小

-XX:MaxNewSize: 设置年轻代最大值

-XX:NewRatio=n: 设置年老代和年轻代的比值，年老代/年轻代。如:为3，表示年轻代与年老代比值为1：3，年轻代占整个年轻代年老代和的1/4

-XX:SurvivorRatio=n: 年轻代中Eden区与两个Survivor区的比值。注意Survivor区有两个。Eden/S0 = Eden/S1, 如：3，表示Eden：Survivor=3：2，一个Survivor区占整个年轻代的1/5

-XX:TargetSurvivorRatio: 设置survivor区的可使用率。当survivor的空间使用率达到这个数值时，会将对象送入老年代

-XX:MaxPermSize=n: 设置最大持久代大小

-XX:PermSize=n: 设置初始持久代大小

-XX:MinHeapFreeRatio: 设置堆空间最小空闲比例。当堆空间的空闲内存小于这个数值时，JVM便会扩展堆空间

-XX:MaxHeapFreeRatio: 设置堆空间最大空闲比例。当堆空间的空闲内存大于这个数值时，便会压缩堆控件，得到一个较小的堆

-XX:PretenureSizeThreshold: 设置大对象直接进入老年代的阈值，当对象的大小超过这个值时，将直接在老年代分配

-XX:MaxTenuringThreshold: 设置对象进入老年代的年龄的最大值。每一次Minor GC后，对象年龄加1。任何大于这个年龄的对象，一定会进入老年代

-XX:MinHeapFreeRatio:设置堆空间最小空闲比例，默认40，当堆空间的空闲内存小于这个数值时，JVM便会扩展堆空间

-XX:MaxHeapFreeRatio:设置堆空间的最大空闲比例，默认是70，当堆空间的空闲内存大于这个数值时，便会压缩堆空间，得到一个较小的堆

其他参数

-XX:CompileThreshold: JIT编译阈值，当函数的调用次数超过该值时，JIT将字节码编译成本地机器码

-XX:CITime: 打印JIT编译耗时

-XX:PrintCompilation: 打印JIT编译信息

-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 发生OOM时将堆信息保存到文件

-XX:OnOutOfMemoryError=\home 发生OOM时运行第三方脚本

-Xlog:safepoint 应用程序在GC发生时的停顿时间和应用程序在GC停顿期间的执行时间

-XX:+TraceClassLoading 跟踪类的加载信息

-XX+TraceClassUnloading 跟踪类的卸载信息

-verbose:class 同时开启类的加载信息和卸载信息

-XX:+DisableExplicitGC 禁用显示的GC操作，System.gc()不会触发Full GC

-Xnoclassgc 禁用类回收

-Xverify:none 禁用类验证

-XX:+UseCompressedOops 启用指针压缩

收集器设置

-XX:+UseSerialGC: 新生代和老年代使用串行收集器

-XX:+UseParallelGC: 新生代使用并行(Parallel Scavenge)收集器，老年代使用串行收集器

-XX:+UseParNewGC: 新生代使用并行收集器，老年代使用串行收集器

-XX:+UseParalledlOldGC: 新生代和老年代都使用并行收集器

-XX:+UseConcMarkSweepGC: 设置CMS收集器

垃圾回收统计信息

-XX:+PrintGC

-XX:+PrintGCDetails

-XX:+PrintGCTimeStamps

-Xloggc:filename

-Xlog:gc* 9以后

并行收集器设置

-XX:+UseParNewGC: 设置新生代使用并行收集器

-XX:+UseParallelOldGC: 设置老年代使用并行收集器

-XX:ParallelGCThreads=n: 设置并行收集器收集时使用的CPU数。并行收集线程数。

-XX:MaxGCPauseMillis=n: 设置并行收集最大暂停时间

-XX:GCTimeRatio=n: 设置垃圾回收时间占程序运行时间的百分比，吞吐量大小，0-100之间的整数，公式为1/(1+n)

-XX:+UseAdaptiveSizePolicy: 打开自适应GC策略，新生代大小，eden和survivor的比例，晋升老年代的对象年龄等参数会自动调整，以达到堆大小，吞吐量和停顿之间的平衡点

CMS收集器设置，Java9以后已经弃用

-XX:+UseConcMarkSweepGC: 新生代使用并行收集器，老年代使用CMS+串行收集器

-XX:+CMSIncrementalMode: 设置为增量模式。适用于单CPU情况。

-XX:ParallelGCThreads=n: 设置并发收集器年轻代收集方式为并行收集时，使用的CPU数。并行收集线程数。

-XX:+CMSInitiatingOccupancyFraction: 设置CMS收集器在老年代空间被使用多少后触发，默认68%

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection: 设置CMS收集器在完成垃圾收集后是否要进行一次内存碎片的整理

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：Java9后过期，设置多少次CMS垃圾回收后，进行一次内存压缩

-XX:+CMSClassUnloadingEnabled: 允许对类元数据进行回收

-XX:+CMSParallelRemarkEnabled: 启用并行重标记

-XX:CMSInitiatingPermOccupancyFraction: 当永久区占用率达到这一百分比时，启动CMS回收(前提是开启-XX:+CMSClassUnloadingEnabled)

-XX:UseCMSInitiatingOccupancyOnly: 表示只在到达阈值的时候，才进行CMS回收

G1回收器设置

-XX:+UseG1GC: 使用G1回收器

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions: 允许使用实验性参数

-XX:MaxGCPauseMillis: 设置最大垃圾收集停顿时间

-XX:GCPauseIntervalMillis: 设置停顿间隔时间

-XX:+DisableExplicitGC: 禁用显示GC

更多垃圾回收器参数，见 https://docs.oracle.com/en/java/javase/13/docs/specs/man/java.html

堆大小设置

JVM 中最大堆大小有三方面限制：

• 相关操作系统的数据模型（32-bt还是64-bit）限制；
• 系统的可用虚拟内存限制；
• 系统的可用物理内存限制。

32位系统下，一般限制在1.5G~2G；64为操作系统对内存无限制。我在Windows Server 2003 系统，3.5G物理内存，JDK5.0下测试，最大可设置为1478m。

典型设置： java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k

-Xmx3550m：设置JVM最大可用内存为3550M。

-Xms3550m：设置JVM初始内存为3550m。此值可以设置与-Xmx相同，以避免每次垃圾回收完成后JVM重新分配内存。

-Xmn2g：设置年轻代大小为2G。整个JVM内存大小=年轻代大小 + 年老代大小 + 持久代大小。持久代一般固定大小为64m，所以增大年轻代后，将会减小年老代大小。此值对系统性能影响较大，Sun官方推荐配置为整个堆的3/8。

-Xss128k：设置每个线程的堆栈大小。JDK5.0以后每个线程堆栈大小为1M，以前每个线程堆栈大小为256K。根据应用的线程所需内存大小进行调整。在相同物理内存下，减小这个值能生成更多的线程。但是操作系统对一个进程内的线程数还是有限制的，不能无限生成，经验值在3000~5000左右。

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xss128k -XX:NewRatio=4 -XX:SurvivorRatio=4 -XX:MaxPermSize=16m -XX:MaxTenuringThreshold=0

-XX:NewRatio=4:设置年轻代（包括Eden和两个Survivor区）与年老代的比值（除去持久代）。设置为4，则年轻代与年老代所占比值为1：4，年轻代占整个堆栈的1/5

-XX:SurvivorRatio=4：设置年轻代中Eden区与Survivor区的大小比值。设置为4，则两个Survivor区与一个Eden区的比值为2:4，一个Survivor区占整个年轻代的1/6

-XX:MaxPermSize=16m:设置持久代大小为16m。

-XX:MaxTenuringThreshold=0：设置垃圾最大年龄。如果设置为0的话，则年轻代对象不经过Survivor区，直接进入年老代。对于年老代比较多的应用，可以提高效率。如果将此值设置为一个较大值，则年轻代对象会在Survivor区进行多次复制，这样可以增加对象在年轻代的存活时间，增加在年轻代即被回收的概率。

回收器选择

JVM给了三种选择：串行收集器、并行收集器、并发收集器，但是串行收集器只适用于小数据量的情况，所以这里的选择主要针对并行收集器和并发收集器。默认情况下，JDK5.0以前都是使用串行收集器，如果想使用其他收集器需要在启动时加入相应参数。JDK5.0以后，JVM会根据当前系统配置进行判断。 吞吐量优先的并行收集器

如上文所述，并行收集器主要以到达一定的吞吐量为目标，适用于科学技术和后台处理等。

典型配置： java -Xmx3800m -Xms3800m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=20

-XX:+UseParallelGC：选择垃圾收集器为并行收集器。此配置仅对年轻代有效。即上述配置下，年轻代使用并发收集，而年老代仍旧使用串行收集。

-XX:ParallelGCThreads=20：配置并行收集器的线程数，即：同时多少个线程一起进行垃圾回收。此值最好配置与处理器数目相等。

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:ParallelGCThreads=20 -XX:+UseParallelOldGC

-XX:+UseParallelOldGC：配置年老代垃圾收集方式为并行收集。JDK6.0支持对年老代并行收集。

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:MaxGCPauseMillis=100

-XX:MaxGCPauseMillis=100:设置每次年轻代垃圾回收的最长时间，如果无法满足此时间，JVM会自动调整年轻代大小，以满足此值。

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseParallelGC -XX:MaxGCPauseMillis=100 -XX:+UseAdaptiveSizePolicy

-XX:+UseAdaptiveSizePolicy：设置此选项后，并行收集器会自动选择年轻代区大小和相应的Survivor区比例，以达到目标系统规定的最低相应时间或者收集频率等，此值建议使用并行收集器时，一直打开。

响应时间优先的并发收集器

如上文所述，并发收集器主要是保证系统的响应时间，减少垃圾收集时的停顿时间。适用于应用服务器、电信领域等。

典型配置： java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:ParallelGCThreads=20 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC

-XX:+UseConcMarkSweepGC：设置年老代为并发收集。测试中配置这个以后，-XX:NewRatio=4的配置失效了，原因不明。所以，此时年轻代大小最好用-Xmn设置。

-XX:+UseParNewGC:设置年轻代为并行收集。可与CMS收集同时使用。JDK5.0以上，JVM会根据系统配置自行设置，所以无需再设置此值。

java -Xmx3550m -Xms3550m -Xmn2g -Xss128k -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=5 -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction：由于并发收集器不对内存空间进行压缩、整理，所以运行一段时间以后会产生“碎片”，使得运行效率降低。此值设置运行多少次GC以后对内存空间进行压缩、整理。

-XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：打开对年老代的压缩。可能会影响性能，但是可以消除碎片

辅助信息

JVM提供了大量命令行参数，打印信息，供调试使用。主要有以下一些： -XX:+PrintGC

输出形式：

[GC 118250K->113543K(130112K), 0.0094143 secs]
[Full GC 121376K->10414K(130112K), 0.0650971 secs]

-XX:+PrintGCDetails

输出形式：

[GC [DefNew: 8614K->781K(9088K), 0.0123035 secs] 118250K->113543K(130112K), 0.0124633 secs]

[GC [DefNew: 8614K->8614K(9088K), 0.0000665 secs][Tenured: 112761K->10414K(121024K), 0.0433488 secs] 121376K->10414K(130112K), 0.0436268 secs]

-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGC：PrintGCTimeStamps可与上面两个混合使用

输出形式：

11.851: [GC 98328K->93620K(130112K), 0.0082960 secs]

-XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime:打印每次垃圾回收前，程序未中断的执行时间。可与上面混合使用

输出形式：

Application time: 0.5291524 seconds

-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime：打印垃圾回收期间程序暂停的时间。可与上面混合使用

输出形式：

Total time for which application threads were stopped: 0.0468229 seconds

-XX:PrintHeapAtGC:打印GC前后的详细堆栈信息

输出形式：

34.702: [GC {Heap before gc invocations=7:

def new generation   total 55296K, used 52568K [0x1ebd0000, 0x227d0000, 0x227d0000)

eden space 49152K,  99% used [0x1ebd0000, 0x21bce430, 0x21bd0000)

from space 6144K,  55% used [0x221d0000, 0x22527e10, 0x227d0000)

to   space 6144K,   0% used [0x21bd0000, 0x21bd0000, 0x221d0000)

tenured generation   total 69632K, used 2696K [0x227d0000, 0x26bd0000, 0x26bd0000)

the space 69632K,   3% used [0x227d0000, 0x22a720f8, 0x22a72200, 0x26bd0000)

compacting perm gen  total 8192K, used 2898K [0x26bd0000, 0x273d0000, 0x2abd0000)

the space 8192K,  35% used [0x26bd0000, 0x26ea4ba8, 0x26ea4c00, 0x273d0000)

    ro space 8192K,  66% used [0x2abd0000, 0x2b12bcc0, 0x2b12be00, 0x2b3d0000)

    rw space 12288K,  46% used [0x2b3d0000, 0x2b972060, 0x2b972200, 0x2bfd0000)

34.735: [DefNew: 52568K->3433K(55296K), 0.0072126 secs] 55264K->6615K(124928K)Heap after gc invocations=8:

def new generation   total 55296K, used 3433K [0x1ebd0000, 0x227d0000, 0x227d0000)

eden space 49152K,   0% used [0x1ebd0000, 0x1ebd0000, 0x21bd0000)

from space 6144K,  55% used [0x21bd0000, 0x21f2a5e8, 0x221d0000)

to   space 6144K,   0% used [0x221d0000, 0x221d0000, 0x227d0000)

tenured generation   total 69632K, used 3182K [0x227d0000, 0x26bd0000, 0x26bd0000)

the space 69632K,   4% used [0x227d0000, 0x22aeb958, 0x22aeba00, 0x26bd0000)

compacting perm gen  total 8192K, used 2898K [0x26bd0000, 0x273d0000, 0x2abd0000)

the space 8192K,  35% used [0x26bd0000, 0x26ea4ba8, 0x26ea4c00, 0x273d0000)

    ro space 8192K,  66% used [0x2abd0000, 0x2b12bcc0, 0x2b12be00, 0x2b3d0000)

    rw space 12288K,  46% used [0x2b3d0000, 0x2b972060, 0x2b972200, 0x2bfd0000)

}

, 0.0757599 secs]

-Xloggc:filename:与上面几个配合使用，把相关日志信息记录到文件以便分析。

调优总结

年轻代大小选择

响应时间优先的应用：

尽可能设大，直到接近系统的最低响应时间限制（根据实际情况选择）。在此种情况下，年轻代收集发生的频率也是最小的。同时，减少到达年老代的对象。

吞吐量优先的应用：

尽可能的设置大，可能到达Gbit的程度。因为对响应时间没有要求，垃圾收集可以并行进行，一般适合8CPU以上的应用。

年老代大小选择

响应时间优先的应用：

年老代使用并发收集器，所以其大小需要小心设置，一般要考虑并发会话率和会话持续时间等一些参数。如果堆设置小了，可能会造成内存碎片、高回收频率以及应用暂停而使用传统的标记清除方式；如果堆大了，则需要较长的收集时间。最优化的方案，一般需要参考以下数据获得：

并发垃圾收集信息

持久代并发收集次数

传统GC信息

花在年轻代和年老代回收上的时间比例

减少年轻代和年老代花费的时间，一般会提高应用的效率

吞吐量优先的应用：

一般吞吐量优先的应用都有一个很大的年轻代和一个较小的年老代。原因是，这样可以尽可能回收掉大部分短期对象，减少中期的对象，而年老代尽存放长期存活对象。

较小堆引起的碎片问题

因为年老代的并发收集器使用标记、清除算法，所以不会对堆进行压缩。当收集器回收时，他会把相邻的空间进行合并，这样可以分配给较大的对象。但是，当堆空间较小时，运行一段时间以后，就会出现“碎片”，如果并发收集器找不到足够的空间，那么并发收集器将会停止，然后使用传统的标记、清除方式进行回收。如果出现“碎片”，可能需要进行如下配置： -XX:+UseCMSCompactAtFullCollection：使用并发收集器时，开启对年老代的压缩。

-XX:CMSFullGCsBeforeCompaction=0：上面配置开启的情况下，这里设置多少次Full GC后，对年老代进行压缩