一些JDK自帶的效能分析利器

CodeTiger發表於2022-03-20

JDK

有時候碰到伺服器CPU飆升或者程式卡死之類的問題，一般都不太好定位。這類bug一般都隱藏的比較深並且還可能是偶發性的，比較棘手。

對於此類問題，一般我們都有固定的分析流程。藉助於JDK自帶的一些分析工具，比如jstack、jmap、jstat一類的命令列工具，除此之外，還有jconsole、mat、jvisualvm這些圖形介面分析工具。

這篇文章基於JDK8，作業系統是macOS 12.0.1

1、一些命令列分析工具

這些命令列分析工具都在jdk/bin目錄下

解壓jdk/lib/tool.jar可以得到上述工具的class檔案

1.1 jps - JVM Process Status Tool

作用：列出正在執行的虛擬機器程式，並顯示虛擬機器執行主類名稱以及這些程式的本地虛擬機器唯一ID。

第一個引數說明：

-q：預設攜帶的引數，顯示程式ID。
-m：顯示程式ID，主類名稱，以及傳入main方法的引數。
-l：顯示程式ID，主類全名。
-v：顯示程式ID，主類名稱，以及傳入JVM的引數。
-V：顯示程式ID，主類名稱。

[-mlvV]可以任意組合使用。

第二個引數說明：

hostid：伺服器的ip地址。不指定的情況下，預設為當前伺服器。如果要檢視其他機器上的JVM程式，需要在待檢視機器上啟動jstatd。

1.2 jstat - JVM Statistics Monitoring Tool

作用：監視虛擬機器各種執行狀態資訊，可以顯示本地或者遠端虛擬機器程式中的類裝載、記憶體、垃圾收集、JIT編譯等執行資料。

命令格式：jstat -

引數說明：

第一個引數：option，代表使用者希望查詢的虛擬機器資訊，主要分為3類：類裝載、垃圾收集和執行期編譯情況。具體選項如下：

-class：顯示有關類載入器行為的統計資訊。
-compiler：顯示有關java hotspot vm即時編譯器行為的統計資訊。
-gc：顯示有關垃圾收集堆行為的統計資訊。
-gccapacity：顯示有關各個垃圾回收代容量及其相應容量的統計資訊。
-gccause：顯示有關垃圾收集統計資訊（同-gcutil），以及上一次和當前垃圾收集事件的原因。
-gcnew：顯示新生代行為的統計資訊。
-gcnewcapacity：顯示有關新生代大小及其相應空間的統計資訊。
-gcold：顯示老年代行為的統計資訊和元空間統計資訊。
-gcoldcapacity：顯示有關老年代大小的統計資訊。
-gcmetacapacity：顯示有關元空間大小的統計資訊。
-gcutil：顯示有關垃圾收集統計資訊。
-printcompilation：顯示java hotspot vm編譯方法統計資訊。

第二個引數：vmid。如果是本地虛擬機器程式，那麼vmid和本地虛擬機器唯一ID是一致的。如果是遠端虛擬機器程式，那麼vmid的格式是：protocol:lvmid[@hostname[:port]/servername]

第三個引數：interval。取樣間隔，單位為s或ms，預設單位是ms，必須為整數。指定該引數，jstat命令將在每個間隔產生輸出。

第四個引數：count。要顯示的樣本數。

import java.io.IOException;

/**
 * -class:
 *  Loaded：已載入的類數量。
 *  Bytes：已載入的kb數。
 *  Unloaded：解除安裝的類數量。
 *  Bytes：解除安裝的kb數。
 *  Time：執行類載入和解除安裝的耗時。
 *
 * -compiler：
 *  Compiled：執行的編譯任務數。
 *  Failed：編譯失敗的任務數。
 *  Invalid：無效的編譯任務數。
 *  Time：執行編譯任務所花費的時間。
 *  FailedType：失敗的編譯型別。
 *  FailedMethod：失敗的編譯類名和方法。
 */
public class Demo1_jstat {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("jstat");
        System.in.read();
    }
}

啟動上面的demo後

import java.io.IOException;

/**
 * -gc: 垃圾收集的堆統計資訊
 *  S0C：s0區的容量（kb）
 *  S1C：s1區的容量（kb）
 *  S0U：s0區的使用大小（kb）
 *  S1U：s1區的使用大學（kb）
 *  EC：eden區的容量（kb）
 *  EU：eden區的使用大小（kb）
 *  OC：老年代容量（kb）
 *  OU：老年代的使用大小（kb）
 *  MC：元空間的容量（kb）
 *  MU：元空間的使用大小（kb）
 *  CCSC：壓縮的類空間容量（kb）
 *  CCSU：使用的壓縮類空間大小（kb）
 *  YGC：新生代垃圾收集次數
 *  YGCT：新生代垃圾回收時間
 *  FGC：full gc收集次數
 *  FGCT：full gc垃圾回收時間
 *  GCT：總垃圾收集時間
 *
 * -gcutil：垃圾收集統計資訊
 *  S0：s0區的使用率
 *  S1：s1區的使用率
 *  E：eden區使用率
 *  O：老年代使用率
 *  M：元空間使用率
 *  CCS：壓縮類空間使用率
 *  YGC：新生代gc次數
 *  YGCT：新生代gc耗費時間
 *  FGC：full gc次數
 *  FGCT：full gc耗費時間
 *  GCT：總垃圾收集時間
 */
public class Demo2_jstat {
    // -Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        final int _1MB = 1024 * 1024;
        // 申請2M的空間
        byte[] b1 = new byte[2 * _1MB];
        System.out.println("1111");
        System.in.read();

        // 申請2M的空間
        byte[] b2 = new byte[2 * _1MB];
        System.out.println("2222");
        System.in.read();

        // 申請2M的空間
        byte[] b3 = new byte[2 * _1MB];
        System.out.println("3333");
        System.in.read();
    }
}

啟動上面的程式之前，先指定一些jvm引數

-Xms20M -Xmx20M -Xmn10M -XX:+UseSerialGC -XX:+PrintGCDetails -verbose:gc

然後啟動demo

剛啟動時，程式會申請2M的陣列，可以看到eden區的使用率是62.37%，ygc的值為0。

讓程式申請第二個2M的陣列，之後再檢視堆記憶體資訊

可以發現eden區的使用率達到了87.37%。

讓程式申請第三個2M的陣列，發現控制檯輸出提示

再檢視堆記憶體資訊

發現eden區的使用率降到了26.71，s1區使用率時70.80%，老年代的使用率是40%即4096kb也就是4M空間大小。同時ygc的次數是1，說明進行了一次ygc，並且把大物件放進了老年代中。

1.3 jinfo - Configuration Info For Java

作用：實時的檢視和調整虛擬機器各項引數。

命令格式：jinfo [option]

引數說明：

第一個引數：option。

no options：輸出全部的引數和系統屬性。
-flag name：輸出對應名稱的引數。
-flag [+ | -] name：開啟或者關閉對應名稱的引數。
-flag name=value：設定對於名稱引數的引數值。
-flags：輸出全部的引數。
-sysprops：輸出全部的系統屬性。

命令演示：

jinfo pid
jinfo -flag PrintGCDetails pid （輸出PrintGCDetails引數的值）
jinfo -flag +PrintGCDetails pid （開啟PrintGCDetails引數）
jinfo -flag HeapDumpPath=/ pid （設定HeapDumpPath引數的值）

在我電腦上使用這個命令會報錯，據說是macOS的一個bug，需要升級到jdk9，懶得升了。bug連結

1.4 jmap - Memory Map For Java

作用：一個多功能的命令，它可以生成Java程式的dump檔案，也可以檢視堆內物件的資訊、classloader的資訊和finalizer佇列。

命令格式：jmap [option]

引數解釋：

第一個引數：option

no option：檢視程式的記憶體映象資訊。
-heap：顯示Java堆詳細資訊。
-histo[:live]：顯示堆中物件的統計資訊。
-clstats：列印類載入器資訊。
-finalizerinfo：顯示在F-Queue佇列等待Finalizer執行緒執行finaizer方法的物件。
-dump:：生成堆轉儲快照。

命令演示：

jamp pid。列印出虛擬機器載入的每個共享物件的起始地址、對映大小以及共享物件檔案的路徑全稱。
jamp -heap pid。列印一個堆的摘要資訊，包括使用的GC演算法、堆配置資訊和各記憶體區域記憶體使用資訊。
jmap -histo:live pid。顯示堆中物件的統計資訊，包括每個Java型別，物件數量，記憶體大小（單位位元組），完全限定的類名。列印的虛擬機器內部的類名稱將會帶一個‘*’字首。如果指定了live子選項，則只計算活動的物件。
jmap -clstats pid。列印Java堆記憶體的永久儲存區域的類載入器的智慧統計資訊。對於每個類載入器而言，它的名稱、活躍度、地址、父類載入器、它所載入的類的數量和大小都會列印。
jmap -finalizerinfo pid。列印等待終結的物件資訊。Number of objects pending for finalization: 0說明沒有等待終結的物件。
jamp -dump:live,format=b,file=./jmap.bin pid。以二進位制格式轉儲java堆到指定路徑下的filename檔案中。指定了live子選項，則只會轉儲活動的物件。

在macOS上使用這個命令同樣也會報錯。但某些命令還是可以的，比如dump二進位制檔案。

1.5 jhat - JVM Heap Dump Browser

作用：與jmap搭配使用，用來分析jmap生成的堆轉儲檔案。jhat內建了一個微型的http/html伺服器，生成dump檔案的分析結果後，可以在瀏覽器中檢視。

不過這個工具一般比較少使用，一是因為功能比較簡陋，VisualVM和MAT等工具完全能夠替代它。二是因為我們一般不會在生產伺服器上直接去dump二進位制檔案，並且分析二進位制檔案是一個比較耗時的工作，所以就沒必要使用命令列工具了。

命令格式：jhat [options] 堆轉儲檔案

引數解釋：

第一個引數：option

[-stack ]：開關物件分配呼叫棧跟蹤，如果分配位置資訊在堆轉儲中不可用，則必須將此標誌設定為false，預設為true。
[-refs ]：開關物件引用跟蹤，預設為true。預設情況下，返回的指標是指向其他特定物件的物件。如果為false則會統計堆中所有物件。
[-port ]：設定jhat http server的埠號，預設為7000。
[-exclude ]：指定物件查詢時需要排除的資料成員列表檔案。例如，如果檔案列出了java.lang.String.value，那麼當從某個物件Object o計算可達的物件列表時，引用路徑涉及java.lang.String.value的都會排除。
[-baseline ]：指定一個基準堆轉儲。在兩個heap dumps中有相同object ID的物件會被標記為不是新的，其他物件會被標記為新的（new），在比較兩個不同的堆轉儲時有用。
[-debug ]：設定debug級別，0表示不輸出除錯資訊，值越大表示輸出的除錯資訊越詳細。[0, 1, 2]
[-version]：啟動後只顯示版本資訊就退出。

第二個引數：堆轉儲檔案。

命令演示：

我們可以先生成一個二進位制檔案。

然後使用jhat命令進行分析

瀏覽器訪問8888埠

1.6 jstack - Stack Trace For Java

作用：檢視或匯出Java應用程式中執行緒堆疊資訊。

執行緒快照是當前Java虛擬機器內每一條執行緒正在執行的方法堆疊的集合。生成執行緒快照的主要目的是定位執行緒出現長時間停頓的原因，比如執行緒死鎖、死迴圈、長時間等待外部資源等。執行緒出現停頓的時候通過jstack來檢視各個執行緒的呼叫堆疊，就可以知道沒有響應的執行緒到底在後臺做什麼事情，或者等待什麼資源。如果Java程式崩潰生成core檔案，jstack工具可以用來獲得core檔案的java stack和native stack的資訊，從而輕鬆地知道Java程式是如何崩潰和在程式何處發生問題。另外jstack工具還可以附屬到正在執行的java程式中，看到當時執行的java程式的java stack和native stack資訊。

命令格式：jstack [options]

引數說明：

第一個引數：options

-F：當執行緒掛起時，使用jstack -l pid請求不被響應時，強制輸出執行緒堆疊。
-l：除堆疊外，顯示關於鎖的附加資訊，比如ownable synchronizers。
-m：可以同時輸出java以及C/C++的堆疊資訊。

命令演示：

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class Demo5_jstack {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("start");
        test1();
      	// test2();
        System.out.println("end");
    }

    // 測試死迴圈
    private static void test1() {
        while (true) {}
    }

    // 測試死鎖
    private static void test2() {
        Lock lock1 = new ReentrantLock();
        Lock lock2 = new ReentrantLock();

        new Thread(() -> {
            try {
                lock1.lock();
                Thread.sleep(100);
                lock2.lock();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "thread1").start();

        new Thread(() -> {
            try {
                lock2.lock();
                Thread.sleep(100);
                lock1.lock();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }, "thread2").start();
    }
}

測試死迴圈

啟動程式後，top命令檢視程式狀態

Linux系統中可以使用top -Hp 50242命令檢視程式下的執行緒資訊，但在macOS上不支援這個命令。我也沒找到怎麼檢視macOS裡程式下所有執行緒的方式==。

一般在Linux上的步驟就是下面這幾步：

（1）top檢視哪個程式cpu最高。

（2）top -Hp pid檢視程式下面哪個執行緒cpu最高。

（3）jstack -l pid列印出程式的堆疊資訊，然後將佔有cpu最高的執行緒id轉換為16進位制，將這個16進位制在堆疊資訊中查詢它的位置，一般都能定位到具體的程式碼位置。

測試死鎖

呼叫test2方法，然後啟動程式，使用jstack -l pid命令能夠列印出死鎖資訊。

2、一些視覺化分析工具

2.1 jConsole

使用jConsole可以檢視程式的堆記憶體使用量、執行緒資訊、CPU使用資訊等。

在控制檯輸入jconsole命令，選擇我們本地的程式

進入後就能看到一些基本資訊了

在記憶體模組，我們可以檢視新生代、老年代、元空間等區域的使用率

線上程模組，我們能看到該程式下的所有執行緒，同時還能檢測死鎖

在VM概要模組，則可以看到本機的一些JVM資訊。

2.2 Visual VM

作用：是到目前為止隨JDK釋出的功能最強大的執行監視和故障處理程式。官方在VisualVM的軟體說明中寫上了“All-in-One”的描述，說明它除了執行監視、故障處理外，還提供了很多其他方面的功能。如效能分析，VisualVM的效能分析甚至比很多專業的收費工具都好用，而且VisualVM不需要被監視的程式基於特殊的執行，因此它對應用程式的實際效能的影響很小，使得它可以直接應用在生產環境中。

VisualVM基於NetBeans平臺開發，因此它一開始就具備了外掛擴充套件功能的特性，通過外掛擴充套件支援，VisualVM可以做到：