JVM堆大小的自适应能力

在完善我们的测试台以便提高 Plumbr](https://plumbr.eu/gc)排查GC故障能力的时候，我编写了[一个小小的测试用例，我觉得应该会有不少人对它感兴趣。我的目标是测试JVM在不同的伊甸区(Eden), 存活区(Survivor)以及年老代空间的分配情况下的自适应能力。


这个 测试用例就是在批量地生成对象。每秒会批量生成一批，每批大概是500KB的大小。这些对象的生命周期是5秒钟，之后它们的引用会被删除掉，然后就可以进行垃圾回收了。

本次测试是运行在Mac OS X的Oracle Hotspot 7 JVM上的，使用的是ParallelGC策略，堆的大小是30M。知道了运行的平台之后，我们可以断定出JVM会按下面的堆配置进行启动：

年轻代大小10M，年老代20M，由于没有显式地指定堆的分配比例，JVM默认会按1：2的比例来划分年轻代和年老代的堆空间。

在我的Mac OS X上，10MB的年轻代又会进一步划分为伊甸区和两个存活区，分别是8MB和2*1MB。再强调一遍，这些默认值都是和特定平台相关的。

启动测试用例并通过jstat查看了GC的详细情况后，事实证明我们刚才的预测是正确的：

My Precious:gc-pressure me$ jstat -gc 2533 1s
 S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       PC     PU    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT   
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   5154.4   20480.0      0.0     21504.0 2718.9      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   5502.1   20480.0      0.0     21504.0 2720.1      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   6197.5   20480.0      0.0     21504.0 2721.0      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   6545.2   20480.0      0.0     21504.0 2721.2      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   7066.8   20480.0      0.0     21504.0 2721.6      0    0.000   0      0.000    0.000
1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   7588.3   20480.0      0.0     21504.0 2722.1      0    0.000   0      0.000    0.000

现在我们还可以继续预测一下接下来会发生什么：

伊甸区的8MB会在16秒内填充满——记住，我们每秒会生成500KB的对象。

任何时刻都会有正好2.5MB的存活对象——每秒生成500KB并持有这些对象5秒钟，最后就是这个数

伊甸区占满的时候触发年轻代GC（Minor GC）——也就是说每16秒会出现一次年轻代的GC

年轻代GC后，会出现过早提升（Premature promotion，注：这些对象过早地提升到了年老代）——存活区只有1MB的大小，而存活对象有2.5MB，1MB的存活区无法容纳这些对象。因此唯一的途径就是将存活区存放不下的1.5MB（2.5MB-1MB）的对象移动到年老代里。

查看下日志可以证实我的这个猜想：

My Precious:gc-pressure me$ jstat -gc -t 2575 1s
Time   S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       PC     PU    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT   
  6.6 1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   4117.9   20480.0      0.0     21504.0 2718.4      0    0.000   0      0.000    0.000
  7.6 1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   4639.4   20480.0      0.0     21504.0 2718.7      0    0.000   0      0.000    0.000
        ... cut for brevity ...
 14.7 1024.0 1024.0  0.0    0.0    8192.0   8192.0   20480.0      0.0     21504.0 2723.6      0    0.000   0      0.000    0.000
 15.6 1024.0 1024.0  0.0   1008.0  8192.0   963.4    20480.0     1858.7   21504.0 2726.5      1    0.003   0      0.000    0.003
 16.7 1024.0 1024.0  0.0   1008.0  8192.0   1475.6   20480.0     1858.7   21504.0 2728.4      1    0.003   0      0.000    0.003
        ... cut for brevity ...
 29.7 1024.0 1024.0  0.0   1008.0  8192.0   8163.4   20480.0     1858.7   21504.0 2732.3      1    0.003   0      0.000    0.003
 30.7 1024.0 1024.0 1008.0  0.0    8192.0   343.3    20480.0     3541.3   21504.0 2733.0      2    0.005   0      0.000    0.005
 31.8 1024.0 1024.0 1008.0  0.0    8192.0   952.1    20480.0     3541.3   21504.0 2733.0      2    0.005   0      0.000    0.005
        ... cut for brevity ...
 45.8 1024.0 1024.0 1008.0  0.0    8192.0   8013.5   20480.0     3541.3   21504.0 2745.5      2    0.005   0      0.000    0.005
 46.8 1024.0 1024.0  0.0   1024.0  8192.0   413.4    20480.0     5201.9   21504.0 2745.5      3    0.008   0      0.000    0.008
 47.8 1024.0 1024.0  0.0   1024.0  8192.0   961.3    20480.0     5201.9   21504.0 2745.5      3    0.008   0     
 
 

触发垃圾回收触发的时间是15秒左右，而不是16秒，它会清理掉伊甸区并将大约1MB的对象移动到存活区，同时将剩余的那些对象移动到年老代。

目前为止一切都和我们猜测的一样。JVM的确是按我们所理解的方式来运行的。有趣的是一旦JVM监控到GC的行为并知道发生的情况之后。在我们这个测试用例中，这个发生在90秒左右的时候：

My Precious:gc-pressure me$ jstat -gc -t 2575 1s
Time   S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       PC     PU    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT   
 94.0 1024.0 1024.0  0.0   1024.0  8192.0   8036.8   20480.0     8497.0   21504.0 2748.8      5    0.012   0      0.000    0.012
 95.0 1024.0 3072.0 1024.0  0.0    4096.0   353.3    20480.0    10149.6   21504.0 2748.8      6    0.014   0      0.000    0.014
 96.0 1024.0 3072.0 1024.0  0.0    4096.0   836.6    20480.0    10149.6   21504.0 2748.8      6    0.014   0      0.000    0.014
 97.0 1024.0 3072.0 1024.0  0.0    4096.0   1350.0   20480.0    10149.6   21504.0 2748.8      6    0.014   0      0.000    0.014
 98.0 1024.0 3072.0 1024.0  0.0    4096.0   1883.5   20480.0    10149.6   21504.0 2748.8      6    0.014   0      0.000    0.014
 99.0 1024.0 3072.0 1024.0  0.0    4096.0   2366.8   20480.0    10149.6   21504.0 2748.8      6    0.014   0      0.000    0.014
100.0 1024.0 3072.0 1024.0  0.0    4096.0   2890.2   20480.0    10149.6   21504.0 2748.8      6    0.014   0      0.000    0.014
101.0 1024.0 3072.0 1024.0  0.0    4096.0   3383.7   20480.0    10149.6   21504.0 2748.8      6    0.014   0      0.000    0.014
102.0 1024.0 3072.0 1024.0  0.0    4096.0   3909.7   20480.0    10149.6   21504.0 2748.8      6    0.014   0      0.000    0.014
103.0 3072.0 3072.0  0.0   2720.0  4096.0   323.0    20480.0    10269.6   21504.0 2748.9      7    0.016   0      0.000    0.016

我们可以看到JVM的强大的适能力。一旦了解了应用的行为之后，JVM会将存活区调整为足够容纳下所有的存活对象。现在年轻代的配置变成了这样：

伊甸区4MB

存活区每个3MB

调整之后GC的频率会有所提高——伊甸区现在只有原来的一半了，因此现在是每8秒一次GC而不是原来的16秒。不过好处也是显而易见的，现在的存活区已经足以存放所有的存活对象了。考虑到已经没有对象能活过一次年轻代GC的周期（不过还得记住，任何时刻都仍有2.5MB的存活对象），因此也不用再将对象提升到年老代中了。

继续观察JVM后我们会发现年老代的使用率在调整后会一直保持不变。对象不会再移动到年老代中了，不过由于也不会再触发年老代GC，所以在JVM调整前提升进来的那10MB的垃圾对象就会一直存放在年老代里面了。

你也可以把JVM的这个“神奇的自适应性”的功能给屏蔽掉，如果你确定要这么做的话。在JVM的参数中指定-XX-UseAdaptiveSizingPolicy就会让JVM严格遵循启动时所指定的参数，而不会违背你的旨意。请谨慎使用这一选项，现代的JVM通常都能自动地给你预测出恰当的配置。


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