超详细JVM性能优化案例全面讲解,值得收藏

2020-05-19 16:11:25来源:博客园 阅读 ()

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超详细JVM性能优化案例全面讲解,值得收藏

 

JVM干货!最全最详细的JVM性能优化专题

对vm-性能优化不太熟悉,掌握不透彻的小伙伴可以借此学习一下。对vm-性能优化很熟悉,掌握很好的小伙伴可以当作复习巩固,写的不一定你们都会哟!

话不多说,咱们直接上干货!注意:除了本文讲的案例。我还整理了最新5套JAVA架构项目实战教程及大厂面试题库,需要的可以进裙 783802103,裙文件下,没基础勿进哦!

类加载机制深度剖析

1、类加载过程

多个java文件经过编译打包生成可运行jar包,最终由java命令运行某个主类的main函数启动程序,这里首先需要通过类加载器把主类加载到JVM。

主类在运行过程中如果使用到其它类,会逐步加载这些类。

注意,jar包里的类不是一次性全部加载的,是使用到时才加载。

类加载到使用整个过程有如下几步:

加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载

  • 加载:在硬盘上查找并通过IO读入字节码文件,使用到类时才会加载,例如调用类的main()方法,new对象等等,在加载阶段会在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口
  • 验证:校验字节码文件的正确性
  • 准备:给类的静态变量分配内存,并赋予默认值
  • 解析:将符号引用替换为直接引用,该阶段会把一些静态方法(符号引用,比如main()方法)替换为指向数据所存内存的指针或句柄等(直接引用),这是所谓的静态链接过程(类加载期间完成),动态链接是在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用,下节课会讲到动态链接
  • 初始化:对类的静态变量初始化为指定的值,执行静态代码块

file

2、类加载器和双亲委派机制

上面的类加载过程主要是通过类加载器来实现的,Java里有如下几种类加载器

  • 启动类加载器:负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库,比如rt.jar、charsets.jar等
  • 扩展类加载器:负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR类包
  • 应用程序类加载器:负责加载ClassPath路径下的类包,主要就是加载你自己写的那些类
  • 自定义加载器:负责加载用户自定义路径下的类包

看一个类加载器示例:

public class TestJDKClassLoader {
    public static void main(String[] args){
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(ClassLoader.getSystemClassLoader().getClass().getName());
    }
}

运行结果:

null //启动类加载器是C++语言实现,所以打印不出来
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader
sun.misc.Launcher$AppClassLoader

自定义一个类加载器示例:

自定义类加载器只需要继承 java.lang.ClassLoader 类,该类有两个核心方法,一个是loadClass(String, boolean),实现了双亲委派机制,大体逻辑

  • 首先,检查一下指定名称的类是否已经加载过,如果加载过了,就不需要再加载,直接返回。
  • 如果此类没有加载过,那么,再判断一下是否有父加载器;如果有父加载器,则由父加载器加载(即调用parent.loadClass(name, false);).或者是调用bootstrap类加载器来加载。
  • 如果父加载器及bootstrap类加载器都没有找到指定的类,那么调用当前类加载器的findClass方法来完成类加载。

还有一个方法是findClass,默认实现是抛出异常,所以我们自定义类加载器主要是重写findClass方法。运行结果:

=======自己的加载器加载类调用方法=======
com.tuling.jvm.MyClassLoaderTest$MyClassLoader

全盘负责委托机制

“全盘负责”是指当一个ClassLoder装载一个类时,除非显示的使用另外一个ClassLoder,该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoder载入。

双亲委派机制

JVM类加载器是有亲子层级结构的,如下图

file

这里类加载其实就有一个双亲委派机制,加载某个类时会先委托父加载器寻找目标类,找不到再委托上层父加载器加载,如果所有父加载器在自己的加载类路径下都找不到目标类,则在自己的类加载路径中查找并载入目标类。

比如我们的Math类,最先会找应用程序类加载器加载,应用程序类加载器会先委托扩展类加载器加载,扩展类加载器再委托启动类加载器,顶层启动类加载器在自己的类加载路径里找了半天没找到Math类,则向下退回加载Math类的请求,扩展类加载器收到回复就自己加载,在自己的类加载路径里找了半天也没找到Math类,又向下退回Math类的加载请求给应用程序类加载器,应用程序类加载器于是在自己的类加载路径里找Math类,结果找到了就自己加载了。

双亲委派机制说简单点就是,先找父亲加载,不行再由儿子自己加载

为什么要设计双亲委派机制?

  • 沙箱安全机制:自己写的java.lang.String.class类不会被加载,这样便可以防止核心API库被随意篡改
  • 避免类的重复加载:当父亲已经加载了该类时,就没有必要子ClassLoader再加载一次,保证被加载类的唯一性

看一个类加载示例:

package java.lang;
public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("**************My String Class**************");
    }
}

运行结果:

错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
public static void main(String[] args)
否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application

再来一个沙箱安全机制示例,尝试打破双亲委派机制,用自定义类加载器加载我们自己实现的

java.lang.String.class

public class MyClassLoaderTest {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader {
        private String classPath;
        public MyClassLoader(String classPath) {
            this.classPath = classPath;
        }
        private byte[] loadByte(String name) throws Exception {
            name = name.replaceAll("\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name
                    + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }
        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }
        /**
         * 重写类加载方法,实现自己的加载逻辑,不委派给双亲加载
         * @param name
         * @param resolve
         * @return
         * @throws ClassNotFoundException
         */
        protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
                throws ClassNotFoundException {
            synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
                // First, check if the class has already been loaded
                Class<?> c = findLoadedClass(name);
 
                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);
 
                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }
    }
    public static void main(String args[]) throws Exception {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:/test");
        //尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的java.lang.String.class
        Class clazz = classLoader.loadClass("java.lang.String");
        Object obj = clazz.newInstance();
        Method method= clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
        method.invoke(obj, null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

运行结果:

java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:659)
at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:758)

打破双亲委派

以Tomcat类加载为例,Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行?

我们思考一下:Tomcat是个web容器, 那么它要解决什么问题:

  1. 一个web容器可能需要部署两个应用程序,不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的不同版本,不能要求同一个类库在同一个服务器只有一份,因此要保证每个应用程序的类库都是独立的,保证相互隔离。

  2. 部署在同一个web容器中相同的类库相同的版本可以共享。否则,如果服务器有10个应用程序,那么要有10份相同的类库加载进虚拟机。

  3. web容器也有自己依赖的类库,不能与应用程序的类库混淆。基于安全考虑,应该让容器的类库和程序的类库隔离开来。

  4. web容器要支持jsp的修改,我们知道,jsp 文件最终也是要编译成class文件才能在虚拟机中运行,但程序运行后修改jsp已经是司空见惯的事情, web容器需要支持 jsp 修改后不用重启。

再看看我们的问题:Tomcat 如果使用默认的双亲委派类加载机制行不行?

答案是不行的。为什么?

第一个问题,如果使用默认的类加载器机制,那么是无法加载两个相同类库的不同版本的,默认的类加器是不管你是什么版本的,只在乎你的全限定类名,并且只有一份。第二个问题,默认的类加载器是能够实现的,因为他的职责就是保证唯一性。

第三个问题和第一个问题一样。

我们再看第四个问题,我们想我们要怎么实现jsp文件的热加载,jsp 文件其实也就是class文件,那么如果修改了,但类名还是一样,类加载器会直接取方法区中已经存在的,修改后的jsp是不会重新加载的。那么怎么办呢?我们可以直接卸载掉这jsp文件的类加载器,所以你应该想到了,每个jsp文件对应一个唯一的类加载器,当一个jsp文件修改了,就直接卸载这个jsp类加载器。重新创建类加载器,重新加载jsp文件。

Tomcat自定义加载器详解

file

tomcat的几个主要类加载器:

  • commonLoader:Tomcat最基本的类加载器,加载路径中的class可以被Tomcat容器本身以及各个Webapp访问;
  • catalinaLoader:Tomcat容器私有的类加载器,加载路径中的class对于Webapp不可见;
  • sharedLoader:各个Webapp共享的类加载器,加载路径中的class对于所有Webapp可见,但是对于Tomcat容器不可见;
  • WebappClassLoader:各个Webapp私有的类加载器,加载路径中的class只对当前Webapp可见;

从图中的委派关系中可以看出:

CommonClassLoader能加载的类都可以被CatalinaClassLoader和SharedClassLoader使用,从而实现了公有类库的共用,而CatalinaClassLoader和SharedClassLoader自己能加载的类则与对方相互隔离。

WebAppClassLoader可以使用SharedClassLoader加载到的类,但各个WebAppClassLoader实例之间相互隔离。

而JasperLoader的加载范围仅仅是这个JSP文件所编译出来的那一个.Class文件,它出现的目的就是为了被丢弃:当Web容器检测到JSP文件被修改时,会替换掉目前的JasperLoader的实例,并通过再建立一个新的Jsp类加载器来实现JSP文件的热加载功能。

tomcat 这种类加载机制违背了java 推荐的双亲委派模型了吗?答案是:违背了。

我们前面说过,双亲委派机制要求除了顶层的启动类加载器之外,其余的类加载器都应当由自己的父类加载器加载。

很显然,tomcat 不是这样实现,tomcat 为了实现隔离性,没有遵守这个约定,每个webappClassLoader加载自己的目录下的class文件,不会传递给父类加载器,打破了双亲委派机制。

JVM内存模型深度剖析

1、JVM整体结构及内存模型

file

2、JVM内存参数设置

file

Spring Boot程序的JVM参数设置格式(Tomcat启动直接加在bin目录下catalina.sh文件里):

java -Xms2048M -Xmx2048M -Xmn1024M -Xss512K -XX:MetaspaceSize=256M -XX:MaxMetaspaceSize=256M -jar microservice-eureka-server.jar

关于元空间的JVM参数有两个:-XX:MetaspaceSize=N和 -XX:MaxMetaspaceSize=N,对于64位JVM来说,元空间的默认初始大小是21MB,默认的元空间的最大值是无限。MaxMetaspaceSize用于设置metaspace区域的最大值。

元空间的动态扩展,默认–XX:MetaspaceSize值为21MB的高水位线。一旦触及则Full GC将被触发并卸载没有用的类(类对应的类加载器不再存活),然后高水位线将会重置。新的高水位线的值取决于GC后释放的元空间。如果释放的空间少,这个高水位线则上升。如果释放空间过多,则高水位线下降。

由于调整元空间的大小需要Full GC,这是非常昂贵的操作,如果应用在启动的时候发生大量Full GC,通常都是由于永久代或元空间发生了大小调整,基于这种情况,一般建议在JVM参数中将MetaspaceSize和MaxMetaspaceSize设置成一样的值,并设置得比初始值要大,对于8G物理内存的机器来说,一般我会将这两个值都设置为256M。

  • Jdk1.6及之前: 有永久代, 常量池在方法区
  • Jdk1.7: 有永久代,但已经逐步“去永久代”,常量池在堆
  • Jdk1.8及之后: 无永久代,常量池在元空间

StackOverflowError示例:

// JVM设置  -Xss128k(默认1M)
public class StackOverflowTest {
    static int count = 0;
    static void redo() {
        count++;
        redo();
    }
    public static void main(String[] args) {
        try {
            redo();
        } catch (Throwable t) {
            t.printStackTrace();
            System.out.println(count);
        }
    }
}

运行结果:

java.lang.StackOverflowError
at com.tuling.jvm.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:12)
at com.tuling.jvm.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:13)
at com.tuling.jvm.StackOverflowTest.redo(StackOverflowTest.java:13)

结论:

-Xss设置越小count值越小,说明一个线程栈里能分配的栈帧就越少,但是对JVM整体来说能开启的线程数会更多

JVM内存参数大小该如何设置?

JVM参数大小设置并没有固定标准,需要根据实际项目情况分析,给大家举个例子

日均百万级订单交易系统如何设置JVM参数

file

一天百万级订单这个绝对是现在顶尖电商公司交易量级,对于这种量级的系统我们该如何设置JVM参数了?

我们可以试着估算下,其实日均百万订单主要也就是集中在当日的几个小时生成的,我们假设是三小时,也就是每秒大概生成100单左右。

这种系统我们一般至少要三四台机器去支撑,假设我们部署了四台机器,也就是每台每秒钟大概处理完成25单左右,往上毛估每秒处理30单吧。

也就是每秒大概有30个订单对象在堆空间的新生代内生成,一个订单对象的大小跟里面的字段多少及类型有关,比如int类型的订单id和用户id等字段,double类型的订单金额等,int类型占用4字节,double类型占用8字节,初略估计下一个订单对象大概1KB左右,也就是说每秒会有30KB的订单对象分配在新生代内。

真实的订单交易系统肯定还有大量的其他业务对象,比如购物车、优惠券、积分、用户信息、物流信息等等,实际每秒分配在新生代内的对象大小应该要再扩大几十倍,我们假设30倍,也就是每秒订单系统会往新生代内分配近1M的对象数据,这些数据一般在订单提交完的操作做完之后基本都会成为垃圾对象。

我们一般线上服务器的配置用得较多的就是双核4G或4核8G,如果我们用双核4G的机器,因为服务器操作系统包括一些后台服务本身可能就要占用1G多内存,也就是说给JVM进程最多分配2G多点内存,刨开给方法区和虚拟机栈分配的内存,那么堆内存可能也就能分配到1G多点,对应的新生代内存最后可能就几百M,那么意味着没过几百秒新生代就会被垃圾对象撑满而触发minor gc,这么频繁的gc对系统的性能还是有一定影响的。

如果我们选择4核8G的服务器,就可以给JVM进程分配四五个G的内存空间,那么堆内存可以分到三四个G左右,于是可以给新生代至少分配2G,这样算下差不多需要半小时到一小时才能把新生代放满触发minor gc,这就大大降低了minor gc的频率,所以一般我们线上服务器用得较多的还是4核8G的服务器配置。

如果系统业务量继续增长那么可以水平扩容增加更多的机器,比如五台甚至十台机器,这样每台机器的JVM处理请求可以保证在合适范围,不至于压力过大导致大量的gc。

有的同学可能有疑问说双核4G的服务器好像也够用啊,无非就是minor gc频率稍微高一点呀,不是说minor gc对系统的影响不是特别大吗,我成本有限,只能用这样的服务器啊。

其实如果系统业务量比较平稳也能凑合用,如果经常业务量可能有个几倍甚至几十倍的增长,比如时不时的搞个促销秒杀活动什么的,那我们思考下会不会有什么问题。

假设业务量暴增几十倍,在不增加机器的前提下,整个系统每秒要生成几千个订单,之前每秒往新生代里分配的1M对象数据可能增长到几十M,而且因为系统压力骤增,一个订单的生成不一定能在1秒内完成,可能要几秒甚至几十秒,那么就有很多对象会在新生代里存活几十秒之后才会变为垃圾对象,如果新生代只分配了几百M,意味着一二十秒就会触发一次minor gc,那么很有可能部分对象就会被挪到老年代,这些对象到了老年代后因为对应的业务操作执行完毕,马上又变为了垃圾对象,随着系统不断运行,被挪到老年代的对象会越来越多,最终可能又会导致full gc,full gc对系统的性能影响还是比较大的。

如果我们用的是4核8G的服务器,新生代分配到2G以上的水平,那么至少也要几百秒才会放满新生代触发minor gc,那些在新生代即便存活几十秒的对象在minor gc触发的时候大部分已经变为垃圾对象了,都可以被及时回收,基本不会被挪到老年代,这样可以大大减少老年代的full gc次数。

file

3、逃逸分析

JVM的运行模式有三种:

解释模式(Interpreted Mode):只使用解释器(-Xint 强制JVM使用解释模式),执行一行JVM字节码就编译一行为机器码

编译模式(Compiled Mode):只使用编译器(-Xcomp JVM使用编译模式),先将所有JVM字节码一次编译为机器码,然后一次性执行所有机器码

混合模式(Mixed Mode):依然使用解释模式执行代码,但是对于一些 "热点" 代码采用编译模式执行,JVM一般采用混合模式执行代码

解释模式启动快,对于只需要执行部分代码,并且大多数代码只会执行一次的情况比较适合;编译模式启动慢,但是后期执行速度快,而且比较占用内存,因为机器码的数量至少是JVM字节码的十倍以上,这种模式适合代码可能会被反复执行的场景;

混合模式是JVM默认采用的执行代码方式,一开始还是解释执行,但是对于少部分 “热点 ”代码会采用编译模式执行,这些热点代码对应的机器码会被缓存起来,下次再执行无需再编译,这就是我们常见的JIT(Just In Time Compiler)即时编译技术。

在即时编译过程中JVM可能会对我们的代码做一些优化,比如对象逃逸分析等。

对象逃逸分析:就是分析对象动态作用域,当一个对象在方法中被定义后,它可能被外部方法所引用,例如作为调用参数传递到其他地方中。

public User test1() {
   User user = new User();
   user.setId(1);
   user.setName("zhuge");
   //TODO 保存到数据库
   return user;
}
public void test2() {
   User user = new User();
   user.setId(1);
   user.setName("zhuge");
   //TODO 保存到数据库
}

很显然test1方法中的user对象被返回了,这个对象的作用域范围不确定,test2方法中的user对象我们可以确定当方法结束这个对象就可以认为是无效对象了,对于这样的对象我们其实可以将其分配的栈内存里,让其在方法结束时跟随栈内存一起被回收掉。

JVM对于这种情况可以通过开启逃逸分析参数(-XX:+DoEscapeAnalysis)来优化对象内存分配位置,JDK7之后默认开启逃逸分析,如果要关闭使用参数(-XX:-DoEscapeAnalysis)。

最后注意:除了本文讲的案例。我还整理了最新5套JAVA架构项目实战教程及大厂面试题库,需要的可以进裙 783802103,裙文件下,没基础勿进哦!
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