堆栈空间配置
JVM 中最重要的一部分就是堆空间了，基本上大多数的线上 JVM 问题都是因为堆空间造成的 OutOfMemoryError。因此掌握 JVM 关于堆空间的参数配置对于排查线上问题非常重要。
tips：本文所有配置，如无特别说明，均基于JDK1.8。
堆配置
我们使用 -Xms 设置堆的初始空间大小，使用 -Xmx 设置堆的最大空间大小。
java -Xms20m -Xmx30m GCDemo
在上面的命令中，我们设置 JVM 的初始堆大小为 20M，最大堆空间为 30M。
年轻代
在 JDK1.8 中，堆分为年轻代和老年代。JVM 提供了参数 -Xmn 来设置年轻代内存的大小，但没有提供参数设置老年代的大小。但其实老年代的大小就等于堆大小减去年轻代大小。
java -Xms20m -Xmn10M GCDemo
上面的命令中，我们设置 JVM 堆初始大小为20M。其中年轻代的大小为 10M，那么剩下的就是老年代的大小，有 10M了。 我们可以给上述命令加上-XX:+PrintGCDetails 参数来查看内存区域的分配信息。
如上图所示，我们可以看到老年代的大小为 10M。
Eden区
在年轻代中，分为三个区域，分别是：eden 空间、from 空间、to 空间。如果要设置这部分的大小，那么就使用 -XX:SurvivorRatio 这个参数，该参数设置 eden / from 空间的比例关系，该参数的公式如下：
-XX:SurvivorRatio = eden/from = eden/to
例如我们的年轻代有 10 M，而我们设置 -XX:SurvivorRatio 参数为 2。也就是说 eden / from = eden / to = 2。这里教一个快速计算的方法，我们假设 eden = 2，那么 from = 1，to = 1，那么 eden + from + to = 10M。这样就可以算出每一份大小是 10/4 = 2.5M。所以 Eden 区 = 2.5 * 2 = 5M，from 区是 2.5 M，to 区是 2.5 M。
下面我们运行下命令来验证一下。
java -Xms20m -Xmn10M -XX:SurvivorRatio=2 -XX:+PrintGCDetails GCDemo
在上面的启动参数中，我们设置堆初始大小为 20M，年轻代大小为 10M，年轻代的 SurvivorRatio 比例为 2。那么最终分配的结果将会是：年轻代 10M，其中 Eden 区 5M、From 区 2.5M、To 区 2.5 M，老年代 10M。
从上图可以看到：eden 空间是 5120 K，from 和 to 空间是 2560 K。
上图还有一个细节，即 PSYoungGen 这里的 total 只有 7680K，难道年轻代只有 7.5M 的内存吗？为什么不是 10M 呢？其实是因为这里的 total 指的是可用内存，from space 和 to space 两个区域，同一时间只有一个区域是可以用的。所以可用内存是 5120 + 2560 = 7680。
永久代（JDK1.7）
在 JDK 1.8 之前，所加载的类信息都放在永久代中。我们用 -XX:PermSize 设置永久代初始大小，用 -XX:MaxPermSize 设置永久代最大大小。
java -XX:PermSize10m -XX:MaxPermSize50m -XX:+PrintGCDetails GCDemo
在上面的启动参数中，我们设置永久代初始大小为 10M，最大大小为 50M。我们在 JDK1.7 的环境下运行上面的命令，会看到如下的 GC 日志。
在上图中，我们可以看到永久代的大小为我们设置的 10M。
元空间（JDK1.8）
在 JDK 1.8 之前，所有加载的类信息都放在永久代中。但在 JDK1.8 之时，永久代被移除，取而代之的是元空间（Metaspace）。在元空间这块内存中，有两个参数很相似，它们是： -XX:MetaspaceSize 和 -XX:MaxMetaspaceSize。
java -XX:MetaspaceSize=10m -XX:MaxMetaspaceSize=50m -XX:+PrintGCDetails GCDemo
上面的命令中，我们设置 MetaspaceSize 为 10M，MaxMetaspaceSize 为 50M。但其实它们并不是设置初始大小和最大大小的。
从上面的执行结果可以看到，Metaspace 空间的大小为 2.6M 左右，并不是我们设置的 10M。那是因为 MetaspaceSize 设置的是元空间发生 GC 的初始阈值。当达到这个值时，元空间发生 GC 操作，这个值默认是 20.8M。而 MaxMetaspaceSize 则是设置元空间的最大大小，默认基本是机器的物理内存大小。虽然可以不设置，但还是建议设置一下，因为如果一直不断膨胀，那么 JVM 进程可能会被 OS kill 掉。
栈空间
栈空间是每个线程各自有的一块区域，如果栈空间太小，也会导致 StackOverFlow 异常。而要设置栈空间大小，只需要使用 -Xss 参数就可以。
java -Xss2m GCDemo
上面的启动命令设置最大栈空间为 2M。
直接内存
在 JVM 中还有一块内存，它独立于 JVM 的堆内存，它就是：直接内存。我们可以使用 -XX:MaxDirectMemorySize 设置最大直接内存。如果不设置，默认为最大堆空间，即 -Xmx。
java -XX:MaxDirectMemorySize=50m GCDemo
上面的启动命令设置直接内存最大值为 50M。
当直接内存使用达到设置值时，就会触发垃圾回收。如果不能有效释放足够空间，就会引发直接内存溢出导致系统的 OOM。
总结
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| -Xms | 初始堆大小 |
| -Xmx | 最大堆空间 |
| -Xmn | 设置新生代大小 |
| -XX:SurvivorRatio | 设置新生代eden空间和from/to空间的比例关系 |
| -XX:PermSize | 方法区初始大小 |
| -XX:MaxPermSize | 方法区最大大小 |
| -XX:MetaspaceSize | 元空间GC阈值（JDK1.8） |
| -XX:MaxMetaspaceSize | 最大元空间大小（JDK1.8） |
| -Xss | 栈大小 |
| -XX:MaxDirectMemorySize | 直接内存大小，默认为最大堆空间 |
参考资料
JVM参数查看命令
今天要说的是如何查看 JVM 中已经设置的参数，包括显示参数和隐式参数。
打印显式参数
该参数表示程序运行时，打印虚拟机接受到的命令行显式参数。我们用下面的命令运行程序：
java -XX:+UseSerialGC -XX:+PrintVMOptions com.chenshuyi.ClassLoadDemo
输出结果：
VM option '+UseSerialGC'
VM option '+PrintVMOptions'
Hello, I'm chenshuyi
可以看到我们设置了+UseSerialGC和+PrintVMOptions两个参数，最后运行时也将这两个参数打印出来了。
打印显式隐式参数
该参数打印传递给虚拟机的显式和隐式参数。我们用下面的命令运行程序：
java -XX:+UseSerialGC -XX:+PrintCommandLineFlags com.chenshuyi.ClassLoadDemo
输出结果：
-XX:InitialHeapSize=134217728 -XX:MaxHeapSize=2147483648 -XX:+PrintCommandLineFlags -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseSerialGC
Hello, I'm chenshuyi
可以看到程序不仅输出了我们显式设置的参数，还将虚拟机默认的参数打印了出来，包括初始堆大小（134217728），最大堆大小（2147483648）等。
打印所有系统参数
-XX:+PrintFlagsFinal 这个参数会打印所有的系统参数的值。我们用下面的命令运行程序：
java -XX:+UseSerialGC -XX:+PrintFlagsFinal com.chenshuyi.ClassLoadDemo > jvm_flag_final.txt
之后打开 jvm_flag_final.txt 文件，可以看到有 800 多行，这是因为程序将虚拟机的所有参数都打印了出来。下面列几个我们常用的参数看看就可以：
...
uintx InitialHeapSize := 134217728 {product}
...
uintx MaxMetaspaceSize = 18446744073709547520 {product}
...
uintx MetaspaceSize = 21807104 {pd product}
从上面我们列出的部分参数可以看到，上面三个参数分别是设置初始堆大小、元空间最大大小、初始元空间大小。
最后，让我们来总结一下，加强记忆。
- -XX:+PrintVMOptions 程序运行时，打印虚拟机接受到的命令行显式参数。
- -XX:+PrintCommandLineFlags 打印传递给虚拟机的显式和隐式参数。
- -XX:+PrintFlagsFinal 打印所有的系统参数的值
类追踪信息配置
我们都知道 JVM 在启动的时候会去加载类信息，那么我们怎么得知他加载了哪些类，又卸载了哪些类呢？我们这一节就来介绍四个 JVM 参数，使用它们我们就可以清晰地知道 JVM 的类加载信息。
为了方便演示，我们使用下面的程序作为本次的演示程序。
/**
* @author chenshuyi
* @date 2018.09.30
*/
public class ClassLoadDemo {
public static void main(String[] args) {
String name = "chenshuyi";
System.out.println("Hello, I'm " + name);
}
}
跟踪类的加载和卸载
我们使用下面的参数运行程序：
java -verbose:class com.chenshuyi.ClassLoadDemo > class_load_info.txt
之后我们打开 class_load_info.txt 文件。因为该文件太大，所以我们节选一部分：
...省略...
[Loaded java.util.ArrayList from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_181.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
...省略...
[Loaded java.util.HashMap from /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_181.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar]
...省略...
[Loaded com.chenshuyi.ClassLoadDemo from file:/Users/yurongchan/Yosemite/Code/practice/target/classes/]
...省略...
从上面可以看到 JVM 分别加载了 ArrayList、HashMap 类，以及我们自己定义的 ClassLoadDemo 类。
跟踪类的加载
-XX:+TraceClassLoading 该参数与可以显示类的加载信息，输出的结果和 -verbose:class 一样，但比起它少了类的卸载信息。
跟踪类的卸载
-XX:+TraceClassUnloading 该参数与可以显示类的加载信息，输出的结果和 -verbose:class 一样，但比起它少了类的加载信息。
但实际上我们通过上面这个简单的例子，没有发现类的卸载信息，或许是例子太简单了，所以没有这个。
打印实例柱状信息
-XX:+PrintClassHistogram
该参数表示遇到 Ctrl-Break 后打印类实例的柱状信息，与 jmap -histo 功能相同。
了解了这些参数，能够让我们更好地了解哪些类已经被加载到 JVM 中，从而更好地排查问题。最后来个总结，加强记忆：
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| -verbose:class | 跟踪类的加载和卸载 |
| -XX:+TraceClassLoading | 跟踪类的加载 |
| -XX:+TraceClassUnloading | 跟踪类的卸载 |
| -XX:+PrintClassHistogram | 显示类信息柱状图 |
GC日志配置
说到 Java 虚拟机，不得不提的就是 Java 虚拟机的 GC（Garbage Collection）日志。而对于 GC 日志，我们不仅要学会看懂，而且要学会如何设置对应的 GC 日志参数。今天就让我们来学习一下 Java 虚拟机中所有与 GC 日志有关的参数。相信掌握了这些参数之后，对于大家线上打印 GC 日志是有不少帮助的。
为了能够更直观地显示出每个参数的作用，我们将以下面的 Demo 为例子去设置 GC 日志参数。
/**
* @author 陈树义
* @date 2018.09.29
*/
public class GCDemo {
public static void main(String[] args) {
// allocate 4M space
byte[] b = new byte[4 * 1024 * 1024];
System.out.println("first allocate");
// allocate 4M space
b = new byte[4 * 1024 * 1024];
System.out.println("second allocate");
}
}
在上面的程序中，我们两次分配了 4M 的内存空间。为了认为制造 GC，我们启动时的 JVM 参数固定加上下面几个参数：
-XX:+UseSerialGC -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:SurvivorRatio=8
- -XX:+UseSerialGC 表示强制使用Serial+SerialOld收集器组合
- -Xms20m 表示堆空间初始大小为 20 M。
- -Xmx20m 表示堆空间最大大小为 20 M。
- -Xmn10m 表示新生代大小为 10M。
- -XX:SurvivorRatio=8 表示Eden:Survivor=8:1
经过上面这个设置，此时我们的堆空间的内存比例情况如下：Eden区 8M，FromSurvivor 1M，ToSurvivor 1M，老年代 10M。
下面就让我们来看看油管 GC 的参数有哪些吧。
打印GC日志
在 GC 日志参数中，最简单的一个参数就是打印 GC 日志：-XX:PrintGC。我们用下面的命令运行程序：
java -XX:+UseSerialGC -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGC com.chenshuyi.GCDemo
输出结果：
first allocate
second allocate
[GC (Allocation Failure) 4767K->4374K(19456K), 0.0045179 secs]
可以看到程序在第一次分配数组空间的时候发生了 GC，并且把 GC 前后以及堆空间大小都打印了出来。该日志显示 GC 前堆空间使用量为 4767K（4M左右）。GC 后堆空间为 4374K，当前可用堆大小为 19456K。
但你会发现使用 PrintGC 参数打印出来的日志比较简单，无法查看更详细的信息。如果你要查看更详细的信息，那么就需要下面这个参数。
打印详细GC日志
如果要查看更加详细的 GC 日志，那么就要使用 -XX:+PrintGCDetails 参数。下面我们使用该参数运行程序：
java -XX:+UseSerialGC -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGC com.chenshuyi.GCDemo
程序输出：
first allocate
second allocate
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4603K->278K(9216K), 0.0036744 secs] 4603K->4374K(19456K), 0.0037100 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
def new generation total 9216K, used 4538K [0x00000007bec00000, 0x00000007bf600000, 0x00000007bf600000)
eden space 8192K, 52% used [0x00000007bec00000, 0x00000007bf0290e0, 0x00000007bf400000)
from space 1024K, 27% used [0x00000007bf500000, 0x00000007bf545920, 0x00000007bf600000)
to space 1024K, 0% used [0x00000007bf400000, 0x00000007bf400000, 0x00000007bf500000)
tenured generation total 10240K, used 4096K [0x00000007bf600000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
the space 10240K, 40% used [0x00000007bf600000, 0x00000007bfa00010, 0x00000007bfa00200, 0x00000007c0000000)
Metaspace used 2649K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 286K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K
从上面的日志可以看出，该参数能打印出更加详细的 GC 信息，包括：年轻代的信息、永久代的信息。
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 4603K->278K(9216K), 0.0036744 secs] 4603K->4374K(19456K), 0.0037100 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
该参数还会在退出之前打印出整个堆的详细信息：
Heap
def new generation total 9216K, used 4538K [0x00000007bec00000, 0x00000007bf600000, 0x00000007bf600000)
eden space 8192K, 52% used [0x00000007bec00000, 0x00000007bf0290e0, 0x00000007bf400000)
from space 1024K, 27% used [0x00000007bf500000, 0x00000007bf545920, 0x00000007bf600000)
to space 1024K, 0% used [0x00000007bf400000, 0x00000007bf400000, 0x00000007bf500000)
tenured generation total 10240K, used 4096K [0x00000007bf600000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
the space 10240K, 40% used [0x00000007bf600000, 0x00000007bfa00010, 0x00000007bfa00200, 0x00000007c0000000)
Metaspace used 2649K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 286K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K
GC前后打印堆信息
上面两个命令基本上可以应付 90% 的使用场景了，但有时候我们在 GC 前后还想获取更加详细的信息。那么我们可以使用 PrintHeapAtGC 参数，该参数会在 GC 前后打印堆信息。
使用下面的命令运行程序：
java -XX:+UseSerialGC -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintHeapAtGC com.chenshuyi.GCDemo
输出结果：
first allocate
second allocate
{Heap before GC invocations=0 (full 0):
def new generation total 9216K, used 4767K [0x00000007bec00000, 0x00000007bf600000, 0x00000007bf600000)
eden space 8192K, 58% used [0x00000007bec00000, 0x00000007bf0a7e98, 0x00000007bf400000)
from space 1024K, 0% used [0x00000007bf400000, 0x00000007bf400000, 0x00000007bf500000)
to space 1024K, 0% used [0x00000007bf500000, 0x00000007bf500000, 0x00000007bf600000)
tenured generation total 10240K, used 0K [0x00000007bf600000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
the space 10240K, 0% used [0x00000007bf600000, 0x00000007bf600000, 0x00000007bf600200, 0x00000007c0000000)
Metaspace used 2646K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 286K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K
Heap after GC invocations=1 (full 0):
def new generation total 9216K, used 278K [0x00000007bec00000, 0x00000007bf600000, 0x00000007bf600000)
eden space 8192K, 0% used [0x00000007bec00000, 0x00000007bec00000, 0x00000007bf400000)
from space 1024K, 27% used [0x00000007bf500000, 0x00000007bf545950, 0x00000007bf600000)
to space 1024K, 0% used [0x00000007bf400000, 0x00000007bf400000, 0x00000007bf500000)
tenured generation total 10240K, used 4096K [0x00000007bf600000, 0x00000007c0000000, 0x00000007c0000000)
the space 10240K, 40% used [0x00000007bf600000, 0x00000007bfa00010, 0x00000007bfa00200, 0x00000007c0000000)
Metaspace used 2646K, capacity 4486K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 286K, capacity 386K, committed 512K, reserved 1048576K
}
仔细看一下，会发现在 GC 发生前后都打印了一次堆空间信息。
通过这个参数，我们可以详细了解每次 GC 时堆空间的详细信息。
打印GC发生的时间
-XX:+PrintGCTimeStamps 这个参数非常简单，就是在每次 GC 日志的前面加上一个时间戳。这个时间戳表示 JVM 启动后到现在所逝去的时间。
使用下面的参数运行程序：
java -XX:+UseSerialGC -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCTimeStamps com.chenshuyi.GCDemo
输出结果：
first allocate
second allocate
0.130: [GC (Allocation Failure) 4767K->4374K(19456K), 0.0051351 secs]
上面日志第 3 行中的「0.130」就是该 GC 发生的时间。
打印应用程序的执行时间
-XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime
使用下面的命令运行程序：
java -XX:+UseSerialGC -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime com.chenshuyi.GCDemo
运行结果：
first allocate
second allocate
Application time: 0.0371892 seconds
[GC (Allocation Failure) 4767K->4374K(19456K), 0.0040074 secs]
Application time: 0.0010712 seconds
打印停顿时间
-XX:+PrintGCApplicationStoppedTime 打印应用由于GC而产生的停顿时间
使用下面的命令运行程序：
java -XX:+UseSerialGC -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime com.chenshuyi.GCDemo
运行结果：
first allocate
second allocate
[GC (Allocation Failure) 4767K->4374K(19456K), 0.0045644 secs]
Total time for which application threads were stopped: 0.0047873 seconds, Stopping threads took: 0.0000329 seconds
可以看到最后一行打印出了因为 GC 而暂停的时间。
保存GC日志
-Xloggc 这个参数可以将 GC 日志输出到文件中保存起来。
使用下面的参数运行程序：
java -XX:+UseSerialGC -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+PrintGC -XX:+PrintReferenceGC -Xloggc:gc.log com.chenshuyi.GCDemo
运行之后在本目录会生成一个 gc.log 文件，打开该文件：
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (25.181-b13) for bsd-amd64 JRE (1.8.0_181-b13), built on Jul 7 2018 01:02:31 by "java_re" with gcc 4.2.1 (Based on Apple Inc. build 5658) (LLVM build 2336.11.00)
Memory: 4k page, physical 8388608k(45132k free)
/proc/meminfo:
CommandLine flags: -XX:InitialHeapSize=20971520 -XX:MaxHeapSize=20971520 -XX:MaxNewSize=10485760 -XX:NewSize=10485760 -XX:+PrintGC -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintReferenceGC -XX:SurvivorRatio=8 -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseSerialGC
0.124: [GC (Allocation Failure) 4767K->4374K(19456K), 0.0047748 secs]
可以看到堆的相关信息，以及 GC 的信息。
总结
除了上面这些参数，还有可以查看弱引用的参数：-XX:+PrintReferenceGC。它跟踪软引用、弱引用、虚引用和Finallize队列的信息，但是使用场景较为狭窄。基本上掌握上面的几个常用的 GC 日志参数就足够排查使用，最重要的是弄清楚每个参数的作用和用法。
最后用列表的形式总结一下，加深一下印象。
| 参数 | 含义 |
|---|---|
| -XX:PrintGC | 打印GC日志 |
| -XX:+PrintGCDetails | 打印详细的GC日志。还会在退出前打印堆的详细信息。 |
| -XX:+PrintHeapAtGC | 每次GC前后打印堆信息。 |
| -XX:+PrintGCTimeStamps | 打印GC发生的时间。 |
| -XX:+PrintGCApplicationConcurrentTime | 打印应用程序的执行时间 |
| -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime | 打印应用由于GC而产生的停顿时间 |
| -XX:+PrintReferenceGC | 跟踪软引用、弱引用、虚引用和Finallize队列。 |
| -XLoggc | 将GC日志以文件形式输出。 |
- JVM基础系列开篇：为什么要学虚拟机？
- JVM基础系列第1讲：Java 语言的前世今生
- JVM基础系列第2讲：Java 虚拟机的历史
- JVM基础系列第3讲：到底什么是虚拟机？
- JVM基础系列第4讲：从源代码到机器码，发生了什么？
- JVM基础系列第5讲：字节码文件结构
- JVM基础系列第6讲：Java虚拟机内存结构
- JVM基础系列第7讲：JVM类加载机制
- JVM基础系列第8讲：JVM 垃圾回收机制
- JVM基础系列第9讲：JVM垃圾回收器
- JVM基础系列第10讲：垃圾回收的几种类型
- JVM基础系列第11讲：JVM参数之堆栈空间配置
- JVM基础系列第12讲：JVM参数之查看JVM参数
- JVM基础系列第13讲：JVM参数之追踪类信息
- JVM基础系列第14讲：JVM参数之GC日志配置
- JVM基础系列第15讲：JDK性能监控命令
