第 239 章:性能调优 - JVM

学习目标

JVM 内存模型
GC 调优策略
线程与锁优化
编写高性能代码

一、JVM 内存模型

1.1 堆分代

区域	特点	GC 算法
Eden	新对象创建	Minor GC
Survivor S0/S1	短期存活	Minor GC
Old	长期存活对象	Major GC / Full GC

1.2 内存配置

bash

# 启动参数
java -Xms4g -Xmx4g \
     -XX:MaxMetaspaceSize=512m \
     -XX:ReservedCodeCacheSize=256m \
     -jar myapp.jar

参数	说明	建议
`-Xms`	初始堆	= -Xmx
`-Xmx`	最大堆	机器内存 60%
`-Xmn`	年轻代大小	= 堆 1/3 ~ 1/4
`-XX:MaxMetaspaceSize`	Metaspace	256M ~ 1G
`-XX:ReservedCodeCacheSize`	JIT 代码缓存	256M

1.3 对象生命周期

二、垃圾回收器

2.1 回收器对比

回收器	算法	暂停	适合
Serial	串行	长	单核
Parallel	并行	中	吞吐优先
CMS	标记清除	短	已废弃
G1	区域分代	可控	默认推荐
ZGC	染色指针	< 1ms	大堆低延迟
Shenandoah	转发指针	< 1ms	大堆低延迟

2.2 G1 默认 / 通用

bash

-XX:+UseG1GC
-XX:MaxGCPauseMillis=200      # 目标停顿
-XX:G1HeapRegionSize=16m     # 区域大小
-XX:+G1UseAdaptiveIHOP       # 自适应堆占用阈值

2.3 ZGC(超低延迟)

bash

-XX:+UseZGC
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions
-XX:ZCollectionInterval=120

适合:

大堆(8GB+)
延迟敏感(微服务)
JDK 11+

2.4 选型决策

三、GC 调优

3.1 调优原则

优先级:内存足够 > GC 调优
不该:频繁 Full GC
关注:Young GC 频率 + Full GC 时长

3.2 目标

指标	目标
Young GC	几秒一次 ~ 几十秒一次
Young GC 耗时	< 50 ms
Full GC	0 次每小时 / 极少
Full GC 耗时	< 500 ms
堆利用率	< 75%

3.3 日志分析

bash

# 启动参数
-Xlog:gc*,gc+heap=trace,gc+age=trace,safepoint:file=gc.log:time,level,tags

# 使用工具
# 在线分析:GC Easy / GCEasy.io
# 本地工具: GCViewer, JClarity Censum

3.4 常见 GC 问题

Young GC 频繁

症状: Minor GC 每秒多次
原因: 短生命周期对象太多 / 年轻代太小
方案:
  - 调大 -Xmn
  - 复用对象避免高频创建
  - 减少大对象

Full GC 频繁

症状: 几秒一次 Full GC,停顿几百 ms
原因:
  - System.gc() 被调用
  - 大对象直接进 Old
  - 内存泄漏 / 长期引用未释放
  - Perm 区小(老版本)
方案:
  - 排查代码:不用 System.gc
  - 检查内存泄漏:jmap + MAT
  - 调大堆

GC 暂停过长

症状: 单次 GC > 1 秒
方案:
  - 换 ZGC 接近 0 暂停
  - 减少大对象分配
  - 调整 G1 region 大小

四、JVM 参数模板

4.1 通用 Java 应用

bash

java \
    -Xms4g -Xmx4g \
    -XX:MaxMetaspaceSize=512m \
    -XX:ReservedCodeCacheSize=256m \
    -Xss512k \
    -XX:+UseG1GC \
    -XX:MaxGCPauseMillis=200 \
    -XX:G1HeapRegionSize=16m \
    -XX:+ParallelRefProcEnabled \
    -XX:+UseStringDeduplication \
    -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError \
    -XX:HeapDumpPath=/tmp/heap.hprof \
    -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions \
    -XX:NativeMemoryTracking=summary \
    -Xlog:gc*,gc+heap=trace,safepoint:file=/tmp/gc-%t.log:time,level,tags:filecount=10,filesize=100m \
    -jar myapp.jar

4.2 JVM TLAB

yaml

TLAB: Thread Local Allocation Buffer
- 每个线程独占,分配对象无需同步
- 减少 Eden 竞争
- 默认开,可调大小

五、内存溢出定位

5.1 OOM 类型

5.2 排查步骤

bash

# 1. 看进程是否 OOM 退出
dmesg | grep -i "kill"
ls -lh /tmp/heap.hprof

# 2. 用 MAT 分析 heap 文件
# 下载 MAT 工具,启动,File -> Open Heap Dump

# 3. 在 MAT 中:
#    - Leak Suspects Report
#    - Dominator Tree
#    - 找 Retained Heap 大的对象

5.3 内存分析工具

工具	用途
jmap	dump 堆
jstack	线程栈
jstat	GC 监控
jcmd	综合
async-profiler	火焰图
Arthas	在线诊断
VisualVM	桌面工具

5.4 内存泄漏常见场景

java

// 1. 静态集合持有
private static Map<Long, Object> cache = new HashMap<>();
cache.put(id, obj);   // 永不释放

// 2. 长生命周期对象引用短生命周期
private static List<Object> list = new ArrayList<>();
public void add(Object o) { list.add(o); }

// 3. 未关闭资源
Connection conn = ds.getConnection();
// 忘记 close()

// 4. ThreadLocal 不清理
threadLocal.set(obj);
// 不 remove,线程复用时仍持有

5.5 ThreadLocal 内存泄漏

java

@Component
public class UserContext {

    private static final ThreadLocal<User> CURRENT = new ThreadLocal<>();

    public static void set(User user) {
        CURRENT.set(user);
    }

    public static User get() {
        return CURRENT.get();
    }

    // 在请求结束清理,避免线程复用泄漏
    public static void clear() {
        CURRENT.remove();   // 必须 remove!
    }
}

// Spring 拦截器
Interceptor:
  preHandle() -> UserContext.set(currentUser);
  afterCompletion() -> UserContext.clear();

六、线程与并发调优

6.1 线程池参数

yaml

默认 ThreadPoolExecutor:
  corePoolSize: cpu * 2
  maxPoolSize: cpu * 4
  queueCapacity: 1000

计算公式:
  - IO 密集型:cpu * 2 ~ 4 (大部分时间等 IO)
  - CPU 密集型:cpu + 1
  - 混合:压测定

6.2 优化 Tomcat

yaml

server:
  tomcat:
    threads:
      max: 400              # 最大工作线程
      min-spare: 50         # 最小空闲
    accept-count: 200       # 等待队列
    max-connections: 8192
    connection-timeout: 20s

6.3 优化连接池(HikariCP)

yaml

spring:
  datasource:
    hikari:
      maximum-pool-size: 20
      minimum-idle: 5
      connection-timeout: 30000
      idle-timeout: 600000
      max-lifetime: 1800000
      auto-commit: false     # 关闭自动提交

6.4 减少锁竞争

java

// ❌ 全局锁
private static final Object lock = new Object();
public synchronized void process() { ... }

// ✅ 分段锁(ConcurrentHashMap 思想)
private final Object[] locks = new Object[16];
public void process(long key) {
    synchronized (locks[(int)(key & 15)]) { ... }
}

// ✅ 读写锁
private final ReadWriteLock rwLock = new ReentrantReadWriteLock();
public void read() {
    rwLock.readLock().lock();
    try { ... } finally { rwLock.readLock().unlock(); }
}

// ✅ 乐观锁(CAS,无锁)
AtomicInteger counter = new AtomicInteger();
counter.incrementAndGet();

// ✅ 不可变对象(无锁)
public final class ImmutableValue {
    private final int value;
}

七、内存可见性

7.1 JMM 内存模型

特性	说明
可见性	一线程修改,另一线程能看到
原子性	一组操作不可分割
有序性	重排序不影响单线程

7.2 volatile

java

private volatile boolean running = true;

void stop() { running = false; }

特性:

可见性:写立即刷新到主内存
禁止重排序
不保证复合原子性

7.3 synchronized

java

private final Object lock = new Object();
private int count = 0;

public void increment() {
    synchronized (lock) {
        count++;
    }
}

JDK 1.6 后引入锁升级:无锁 → 偏向锁 → 轻量级锁 → 重量级锁。

八、JIT 编译器

8.1 C1 vs C2

yaml

C1 (Client):
  - 启动快
  - 优化少
  - 桌面应用

C2 (Server):
  - 启动慢
  - 激进优化(内联/逃逸分析)
  - **服务端默认**

TieredCompilation:
  - C1 渐进 → C2
  - JDK 7+ 默认

8.2 热点代码识别

bash

# 打印 JIT 编译日志
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions
-XX:+PrintCompilation
-XX:+LogCompilation

8.3 方法内联

java

// 短方法被内联(JIT 自动)
public int add(int a, int b) { return a + b; }

8.4 逃逸分析

java

public String concat(List<String> list) {
    // JIT 优化:不开新对象,栈上分配
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    for (String s : list) sb.append(s);
    return sb.toString();
}

九、性能案例

9.1 案例 1:大对象频繁创建

java

// ❌ 大量临时数组
public byte[] process(byte[] input) {
    byte[] result = new byte[input.length * 2];
    // ...
    return result;
}

// ✅ 对象池或复用
private final ThreadLocal<byte[]> BUFFER = ThreadLocal.withInitial(() -> new byte[2048]);
public byte[] process(byte[] input) {
    byte[] buf = BUFFER.get();
    // ...
    return Arrays.copyOf(buf, length);
}

9.2 案例 2:对象字段顺序

java

// ❌ padding 浪费空间
class Data {
    boolean a;   // 1 byte
    long b;      // 8 byte (对齐)
    boolean c;   // 1 byte (对齐)
    long d;      // 8 byte (对齐)
}
// size: 32 bytes

// ✅ 字段排序紧凑
class Data {
    long b;      // 8 byte
    long d;
    boolean a;   // 1 byte
    boolean c;
}
// size: 24 bytes

9.3 案例 3:字符串拼接

java

// ❌ 多次拼接
String result = "";
for (String s : list) {
    result += s;       // 创建多个中间对象
}

// ✅ StringBuilder
StringBuilder sb = new StringBuilder();
for (String s : list) {
    sb.append(s);
}
String result = sb.toString();

十、性能监控指标

yaml

JVM 指标:
  - jvm_memory_used_bytes
  - jvm_memory_max_bytes
  - jvm_gc_pause_seconds_count
  - jvm_gc_pause_seconds_sum
  - jvm_threads_states_threads

应用指标:
  - JVM uptime
  - thread count
  - loaded classes count
  - heap size

导出方式:
  - /actuator/prometheus
  - JMX

工具:
  - JMX exporter
  - VisualVM
  - async-profiler

十一、本章小结

主题	关键
内存	合理分代,避免大对象
GC	ZGC/G1,关注暂停
线程	池化、无锁、减少竞争
JIT	短方法、逃逸分析
排查	jmap + MAT

动手练习

用 jmap dump 一次堆,用 MAT 分析大对象
用 async-profiler 打火焰图,找 CPU 热点
写一段代码,测试线程池合理大小(压测)
配置 G1 启动参数,分析 GC 日志

下一章:第 240 章:性能调优 - 数据库

第 239 章:性能调优 - JVM ​

一、JVM 内存模型 ​

1.1 堆分代 ​

1.2 内存配置 ​

1.3 对象生命周期 ​

二、垃圾回收器 ​

2.1 回收器对比 ​

2.2 G1 默认 / 通用 ​

2.3 ZGC(超低延迟) ​

2.4 选型决策 ​

三、GC 调优 ​

3.1 调优原则 ​

3.2 目标 ​

3.3 日志分析 ​

3.4 常见 GC 问题 ​

Young GC 频繁 ​

Full GC 频繁 ​

GC 暂停过长 ​

四、JVM 参数模板 ​

4.1 通用 Java 应用 ​

4.2 JVM TLAB ​

五、内存溢出定位 ​

5.1 OOM 类型 ​

5.2 排查步骤 ​

5.3 内存分析工具 ​

5.4 内存泄漏常见场景 ​

5.5 ThreadLocal 内存泄漏 ​

六、线程与并发调优 ​

6.1 线程池参数 ​

6.2 优化 Tomcat ​

6.3 优化连接池(HikariCP) ​

6.4 减少锁竞争 ​

七、内存可见性 ​

7.1 JMM 内存模型 ​

7.2 volatile ​

7.3 synchronized ​

八、JIT 编译器 ​

8.1 C1 vs C2 ​

8.2 热点代码识别 ​

8.3 方法内联 ​

8.4 逃逸分析 ​

九、性能案例 ​

9.1 案例 1:大对象频繁创建 ​

9.2 案例 2:对象字段顺序 ​

9.3 案例 3:字符串拼接 ​

十、性能监控指标 ​

十一、本章小结 ​

动手练习 ​

第 239 章:性能调优 - JVM

一、JVM 内存模型

1.1 堆分代

1.2 内存配置

1.3 对象生命周期

二、垃圾回收器

2.1 回收器对比

2.2 G1 默认 / 通用

2.3 ZGC(超低延迟)

2.4 选型决策

三、GC 调优

3.1 调优原则

3.2 目标

3.3 日志分析

3.4 常见 GC 问题

Young GC 频繁

Full GC 频繁

GC 暂停过长

四、JVM 参数模板

4.1 通用 Java 应用

4.2 JVM TLAB

五、内存溢出定位

5.1 OOM 类型

5.2 排查步骤

5.3 内存分析工具

5.4 内存泄漏常见场景

5.5 ThreadLocal 内存泄漏

六、线程与并发调优

6.1 线程池参数

6.2 优化 Tomcat

6.3 优化连接池(HikariCP)

6.4 减少锁竞争

七、内存可见性

7.1 JMM 内存模型

7.2 volatile

7.3 synchronized

八、JIT 编译器

8.1 C1 vs C2

8.2 热点代码识别

8.3 方法内联

8.4 逃逸分析

九、性能案例

9.1 案例 1:大对象频繁创建

9.2 案例 2:对象字段顺序

9.3 案例 3:字符串拼接

十、性能监控指标

十一、本章小结

动手练习