超详细JVM性能优化案例全面讲解，值得收藏

拼搏现实的明天。 2023-02-10 03:34 11阅读 0赞

![JVM干货！最全最详细的JVM性能优化专题][JVM_JVM]

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，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][file 1]

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][file 2]

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][file 3]

**2、JVM内存参数设置**

![file][file 4]

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][file 5]

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][file 6]

**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)。

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