Java JVM学习-堆的 GC 与调试工具

堆空间分代思想

为什么需要把 Java堆分代？不分代就不能正常工作了吗？

新生代：由 Eden、两块大小相同的 Survivor（又称为from/to， s0/s1）构成，to 总为空。 老年代：存放新生代中经历多次 GC 仍然存活的对象。

其实不分代完全可以，分代的唯一理由就是优化 GC 性能。如果没有分代，那所有的对象都在一块，就如同把一个学校的人都关在一个教室。GC 的时候要找到哪些对象没用，这样就会对堆的所有区域进行扫描。而很多对象都是朝生夕死的，如果分代的话，把新创建的对象放到某一地方，当 GC 的时候先把这块存储 “朝生夕死” 对象的区域进行回收，这样就会腾出很大的空间出来。

不同 GC 阶段的区别

由上可知 JVM 在进行 GC 时，并非每次都对新生代、老年代、方法区三个内存区域一起回收的，而是把 GC 按照回收区域又分为两大种类型：一种是部分收集（Partial GC），一种是整堆收集（Full GC），因此分出了 Minor GC，MajorGC、Full GC 三种 GC

新生代收集（Minor GC / Young GC）：只是新生代（Eden\S0、S1）的垃圾收集
老年代收集（Major GC / Old GC）：只是老年代的垃圾收集。

JVM 的调优的一个环节，也就是垃圾收集，一般需要尽量的避免垃圾回收，因为在垃圾回收的过程中，容易出现 STW （垃圾回收期间 STW（Stop The World））的问题。而 Major GC 和 Full GC 出现 STW 的时间，是 Minor GC 的 10 倍以上，因此要尽量避免 Major GC 和 Full GC 出现。

下面来看下这些不同的 GC 有什么区别吧

年轻代 GC（Minor GC）

年轻代 GC（Minor GC）触发机制：当年轻代空间不足时，就会触发 Minor GC，这里的年轻代满指的是 Eden 区满了，Survivor 区满了不会引发 GC。每次 Minor GC会清理年轻代的内存。

因为 Java 对象大多都具备朝生夕灭的特性，所以 MinorGC 非常频繁，一般回收速度也比较快。

Minor GC 会引发 STW，暂停其它用户的线程，等垃圾回收结束，用户线程才恢复运行。

老年代 GC（Major GC）

老年代GC（Major GC/Full GC）触发机制：指发生在老年代的 GC，对象从老年代消失时一般就是 “Major GC” 或 “Full GC” 发生了。

出现了 Major GC，经常会伴随至少一次的 Minor GC，但非绝对的，在 Parallel Scavenge 收集器的收集策略里就有直接进行 Major GC 的策略选择过程（也就是在老年代空间不足时，会先尝试触发 Minor GC。如果之后空间还不足，则触发 Major GC）

Major GC 的速度一般会比 Minor GC 慢 10倍以上，STW的时间更长。如果 Major GC 后，内存还不足，就报 OOM 了。

整堆收集（Full GC）

针对整个新生代、老生代、元空间（metaspace，java8 以上版本取代 perm gen）的全局范围的 GC。

Full GC 触发机制：(后面细讲)

Full GC 不等于 Major GC，也不等于 Minor GC + Major GC，发生 Full GC 需要看使用了什么垃圾收集器组合，才能解释是什么样的垃圾回收。目前，只有 CMS GC 会有单独收集老年代的行为。注意，很多时候 Major GC 会和 Full GC 混淆使用，需要具体分辨是老年代回收还是整堆回收。

触发 Full GC 执行的情况有如下五种:

调用 System.gc() 时，系统建议执行 Full GC，但是不必然执行
老年代空间不足
方法区空间不足
通过 Minor GC 后进入老年代的平均大小大于老年代的可用内存
由 Eden 区、survivor space0（From Space）区向 survivor space1（To Space）区复制时，对象大小大于 To Space 可用内存，则把该对象转存到老年代，且老年代的可用内存小于该对象大小

说明：full gc 是开发或调优中尽量要避免的。这样暂时时间会短一些。

补充：混合收集（Mixed GC）

收集整个新生代以及部分老年代的垃圾收集。目前，只有 G1 GC 会有这种行为

GC 日志分析

首先编写一个测试代码

/**
 * 测试 Minor GC，MajorGC、Full GC
 **/
public class GCTest {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            List<String> list = new ArrayList<>();
            String a = "temp";
            while (true) {
                list.add(a);
                a = a + a; // 这里不断的拼接字符串，字符串是存在字符常量池里面的
                i++;
            }
        } catch (Throwable t) {
            t.printStackTrace();
            System.out.println("遍历次数：" + i);
        }
    }
}

然后再在 JVM 启动参数那里加上这个 +PrintGCDetails 表示打印 GC 详情

# -Xms 用于表示堆区的起始内存
# -Xmx 则用于表示堆区的最大内存
-Xms9m -Xmx9m -XX:+PrintGCDetails

配置如下

运行后报错如下所示：

JDK 命令行工具

这些命令在 JDK 安装目录下的 bin 目录下：

jps (JVM Process Status）：类似 UNIX 的 ps 命令。用户查看所有 Java 进程的启动类、传入参数和 Java 虚拟机参数等信息；
jstat (JVM Statistics Monitoring Tool)：用于收集 HotSpot 虚拟机各方面的运行数据;
jinfo (Configuration Info for Java)：Configuration Info forJava,显示虚拟机配置信息;
jmap (Memory Map for Java)：生成堆转储快照;
jhat (JVM Heap Dump Browser )：用于分析 heapdump 文件，它会建立一个 HTTP/HTML 服务器，让用户可以在浏览器上查看分析结果;
jstack (Stack Trace for Java)：生成虚拟机当前时刻的线程快照，线程快照就是当前虚拟机内每一条线程正在执行的方法堆栈的集合。

jps 查看所有 Java 进程

jps(JVM Process Status) 命令类似 UNIX 的 ps 命令。 jps：显示虚拟机执行主类名称以及这些进程的本地虚拟机唯一 ID（Local Virtual Machine Identifier,LVMID）。

jps -q ：只输出进程的本地虚拟机唯一 ID。

❯ jps -q
13120
16776
16460

jps -l：输出主类的全名，如果进程执行的是 Jar 包，输出 Jar 路径。

❯ jps -l
13120 org.jetbrains.idea.maven.server.RemoteMavenServer36
13960 sun.tools.jps.Jps
16460

jps -v：输出虚拟机进程启动时 JVM 参数。

jps -m：输出传递给 Java 进程 main() 函数的参数。

jstat 监视虚拟机各种运行状态信息

jstat（JVM Statistics Monitoring Tool）使用于监视虚拟机各种运行状态信息的命令行工具。它可以显示本地或者远程（需要远程主机提供 RMI 支持）虚拟机进程中的类信息、内存、垃圾收集、JIT 编译等运行数据，在没有 GUI，只提供了纯文本控制台环境的服务器上，它将是运行期间定位虚拟机性能问题的首选工具。

jstat 命令使用格式：

jstat -<option> [-t] [-h<lines>] <vmid> [<interval> [<count>]]

比如 jstat -gc -h3 31736 1000 10 表示分析进程 id 为 31736 的 gc 情况，每隔 1000ms 打印一次记录，打印 10 次停止，每 3 行后打印指标头部。

常见的 option 如下：

jstat -class vmid ：显示 ClassLoader 的相关信息；
jstat -compiler vmid ：显示 JIT 编译的相关信息；
jstat -gc vmid ：显示与 GC 相关的堆信息；
jstat -gccapacity vmid ：显示各个代的容量及使用情况；
jstat -gcnew vmid ：显示新生代信息；
jstat -gcnewcapcacity vmid ：显示新生代大小与使用情况；
jstat -gcold vmid ：显示老年代和永久代的行为统计，从jdk1.8开始,该选项仅表示老年代，因为永久代被移除了；
jstat -gcoldcapacity vmid ：显示老年代的大小；
jstat -gcpermcapacity vmid ：显示永久代大小，从jdk1.8开始,该选项不存在了，因为永久代被移除了；
jstat -gcutil vmid ：显示垃圾收集信息；

另外，加上 -t 参数可以在输出信息上加一个 Timestamp 列，显示程序的运行时间。

jinfo 实时地查看和调整虚拟机各项参数

jinfo vmid：输出当前 jvm 进程的全部参数和系统属性（第一部分是系统的属性，第二部分是 JVM 的参数）。

jinfo -flag name vmid：输出对应名称的参数的具体值。比如输出 MaxHeapSize、查看当前 jvm 进程是否开启打印 GC 日志（-XX:PrintGCDetails :详细 GC 日志模式，这两个都是默认关闭的）。

C:\Users\SnailClimb>jinfo  -flag MaxHeapSize 17340
-XX:MaxHeapSize=2124414976
C:\Users\SnailClimb>jinfo  -flag PrintGC 17340
-XX:-PrintGC

使用 jinfo 可以在不重启虚拟机的情况下，可以动态的修改 jvm 的参数。尤其在线上的环境特别有用，请看下面的例子：

C:\Users\SnailClimb>jinfo  -flag  PrintGC 17340
-XX:-PrintGC

C:\Users\SnailClimb>jinfo  -flag  +PrintGC 17340

C:\Users\SnailClimb>jinfo  -flag  PrintGC 17340
-XX:+PrintGC

jmap 生成堆转储快照

jmap（Memory Map for Java）命令用于生成堆转储快照。如果不使用 jmap 命令，要想获取 Java 堆转储，可以使用 “-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError” 参数，可以让虚拟机在 OOM 异常出现之后自动生成 dump 文件，Linux 命令下可以通过 kill -3 发送进程退出信号也能拿到 dump 文件。

jmap 的作用并不仅仅是为了获取 dump 文件，它还可以查询 finalizer 执行队列、Java 堆和永久代的详细信息，如空间使用率、当前使用的是哪种收集器等。和 jinfo 一样，jmap有不少功能在 Windows 平台下也是受限制的。

示例：将指定应用程序的堆快照输出到桌面。后面，可以通过 jhat、Visual VM 等工具分析该堆文件。

C:\Users\SnailClimb>jmap -dump:format=b,file=C:\Users\SnailClimb\Desktop\heap.hprof 17340
Dumping heap to C:\Users\SnailClimb\Desktop\heap.hprof ...
Heap dump file created

jhat 分析 heapdump 文件

jhat 用于分析 heapdump 文件，它会建立一个 HTTP/HTML 服务器，让用户可以在浏览器上查看分析结果。

C:\Users\SnailClimb>jhat C:\Users\SnailClimb\Desktop\heap.hprof
Reading from C:\Users\SnailClimb\Desktop\heap.hprof...
Dump file created Sat May 04 12:30:31 CST 2019
Snapshot read, resolving...
Resolving 131419 objects...
Chasing references, expect 26 dots..........................
Eliminating duplicate references..........................
Snapshot resolved.
Started HTTP server on port 7000
Server is ready.

访问 http://localhost:7000/

jstack 生成虚拟机当前时刻的线程快照

jstack（Stack Trace for Java）命令用于生成虚拟机当前时刻的线程快照。线程快照就是当前虚拟机内每一条线程正在执行的方法堆栈的集合.

生成线程快照的目的主要是定位线程长时间出现停顿的原因，如线程间死锁、死循环、请求外部资源导致的长时间等待等都是导致线程长时间停顿的原因。线程出现停顿的时候通过 jstack 来查看各个线程的调用堆栈，就可以知道没有响应的线程到底在后台做些什么事情，或者在等待些什么资源。

下面是一个线程死锁的代码。我们下面会通过 jstack 命令进行死锁检查，输出死锁信息，找到发生死锁的线程。

public class DeadLockDemo {
    private static Object resource1 = new Object();//资源 1
    private static Object resource2 = new Object();//资源 2

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            synchronized (resource1) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource2");
                synchronized (resource2) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                }
            }
        }, "线程 1").start();

        new Thread(() -> {
            synchronized (resource2) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource2");
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println(Thread.currentThread() + "waiting get resource1");
                synchronized (resource1) {
                    System.out.println(Thread.currentThread() + "get resource1");
                }
            }
        }, "线程 2").start();
    }
}

Output

Thread[线程 1,5,main]get resource1
Thread[线程 2,5,main]get resource2
Thread[线程 1,5,main]waiting get resource2
Thread[线程 2,5,main]waiting get resource1

线程 A 通过 synchronized (resource1) 获得 resource1 的监视器锁，然后通过 Thread.sleep(1000); 让线程 A 休眠 1s 为的是让线程 B 得到执行然后获取到 resource2 的监视器锁。线程 A 和线程 B 休眠结束了都开始企图请求获取对方的资源，然后这两个线程就会陷入互相等待的状态，这也就产生了死锁

通过 jstack 命令分析：

C:\Users\SnailClimb>jps
KotlinCompileDaemon
NettyClient2
17396
Launcher
Launcher
DeadLockDemo
Jps
NettyServer

C:\Users\SnailClimb>jstack 9256

输出的部分内容如下：

Found one Java-level deadlock:
=============================
"线程 2":
  waiting to lock monitor 0x000000000333e668 (object 0x00000000d5efe1c0, a java.lang.Object),
  which is held by "线程 1"
"线程 1":
  waiting to lock monitor 0x000000000333be88 (object 0x00000000d5efe1d0, a java.lang.Object),
  which is held by "线程 2"

Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"线程 2":
        at DeadLockDemo.lambda$main$1(DeadLockDemo.java:31)
        - waiting to lock <0x00000000d5efe1c0> (a java.lang.Object)
        - locked <0x00000000d5efe1d0> (a java.lang.Object)
        at DeadLockDemo$$Lambda$2/1078694789.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
"线程 1":
        at DeadLockDemo.lambda$main$0(DeadLockDemo.java:16)
        - waiting to lock <0x00000000d5efe1d0> (a java.lang.Object)
        - locked <0x00000000d5efe1c0> (a java.lang.Object)
        at DeadLockDemo$$Lambda$1/1324119927.run(Unknown Source)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

Found 1 deadlock.

可以看到 jstack 命令已经帮我们找到发生死锁的线程的具体信息。

JDK 可视化分析工具

JConsole：Java 监视与管理控制台

JConsole 是基于 JMX 的可视化监视、管理工具。可以很方便的监视本地及远程服务器的 java 进程的内存使用情况。你可以在控制台输出console命令启动或者在 JDK 目录下的 bin 目录找到 jconsole.exe 然后双击启动。

连接 Jconsole

如果需要使用 JConsole 连接远程进程，可以在远程 Java 程序启动时加上下面这些参数：

-Djava.rmi.server.hostname=外网访问 ip 地址 
-Dcom.sun.management.jmxremote.port=60001   //监控的端口号
-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false   //关闭认证
-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false

在使用 JConsole 连接时，远程进程地址如下：

外网访问 ip 地址:60001

查看 Java 程序概况

内存监控

JConsole 可以显示当前内存的详细信息。不仅包括堆内存/非堆内存的整体信息，还可以细化到 eden 区、survivor 区等的使用情况，如下图所示。

点击右边的“执行 GC(G)”按钮可以强制应用程序执行一个 Full GC。

新生代 GC（Minor GC）:指发生新生代的的垃圾收集动作，Minor GC 非常频繁，回收速度一般也比较快。

老年代 GC（Major GC/Full GC）:指发生在老年代的 GC，出现了 Major GC 经常会伴随至少一次的 Minor GC（并非绝对），Major GC 的速度一般会比 Minor GC 的慢 10 倍以上。

线程监控

类似我们前面讲的 jstack 命令，不过这个是可视化的。

最下面有一个"检测死锁 (D)"按钮，点击这个按钮可以自动为你找到发生死锁的线程以及它们的详细信息。

Visual VM：多合一故障处理工具

VisualVM 提供在 Java 虚拟机 (Java Virutal Machine, JVM) 上运行的 Java 应用程序的详细信息。在 VisualVM 的图形用户界面中，您可以方便、快捷地查看多个 Java 应用程序的相关信息。Visual VM 官网：https://visualvm.github.io/ Visual VM 中文文档： https://visualvm.github.io/documentation.html。

VisualVM（All-in-One Java Troubleshooting Tool）是到目前为止随 JDK 发布的功能最强大的运行监视和故障处理程序，官方在 VisualVM 的软件说明中写上了 “All-in-One” 的描述字样，预示着他除了运行监视、故障处理外，还提供了很多其他方面的功能，如性能分析（Profiling）。VisualVM 的性能分析功能甚至比起 JProfiler、YourKit 等专业且收费的 Profiling 工具都不会逊色多少，而且 VisualVM 还有一个很大的优点：不需要被监视的程序基于特殊 Agent 运行，因此他对应用程序的实际性能的影响很小，使得他可以直接应用在生产环境中。这个优点是 JProfiler、YourKit 等工具无法与之媲美的。

VisualVM 基于 NetBeans 平台开发，因此他一开始就具备了插件扩展功能的特性，通过插件扩展支持，VisualVM 可以做到：

显示虚拟机进程以及进程的配置、环境信息（jps、jinfo）。
监视应用程序的 CPU、GC、堆、方法区以及线程的信息（jstat、jstack）。
dump 以及分析堆转储快照（jmap、jhat）。
方法级的程序运行性能分析，找到被调用最多、运行时间最长的方法。
离线程序快照：收集程序的运行时配置、线程 dump、内存 dump 等信息建立一个快照，可以将快照发送开发者处进行 Bug 反馈。
其他 plugins 的无限的可能性......

Reference

转载自 JDK 监控和故障处理工具总结参考资料一文读懂 - 元空间和永久代

堆空间分代思想​

不同 GC 阶段的区别​

年轻代 GC（Minor GC）​

老年代 GC（Major GC）​

整堆收集（Full GC）​

补充：混合收集（Mixed GC）​

GC 日志分析​

JDK 命令行工具​

jps 查看所有 Java 进程​

jstat 监视虚拟机各种运行状态信息​

jinfo 实时地查看和调整虚拟机各项参数​

jmap 生成堆转储快照​

jhat 分析 heapdump 文件​

jstack 生成虚拟机当前时刻的线程快照​

JDK 可视化分析工具​

JConsole：Java 监视与管理控制台​

查看 Java 程序概况​

内存监控​

线程监控​

Visual VM：多合一故障处理工具​

Reference​