深入理解Java虚拟机(四)虚拟机性能监控、基础故障处理工具

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的高墙,墙外面的人想进去,墙里面的人却想出来。

给一个系统定位问题的时候,知识、经验是关键基础,数据是依据,工具是运用知识处理数据的手段。这里说的数据包括但不限于异常堆栈、虚拟机运行日志、垃圾收集器日志、线程快照(threaddump/javacore文件)、堆转储快照(heapdump/hprof文件)等。恰当地使用虚拟机故障处理、分析的工具可以提升我们分析数据、定位并解决问题的效率,但我们在学习工具前,也应当意识到工具永远都是知识技能的一层包装,没有什么工具是"秘密武器",拥有了就能"包治百病"。

一、基础故障处理工具

Java开发人员肯定都知道JDK的bin目录中有java.exe、javac.exe这两个命令行工具,但并非所有程序员都了解过JDK的bin目录下其他各种小工具的作用。随着JDK版本的更迭,这些小工具的数量和功能也在不知不觉地增加与增强。除了编译和运行Java程序外,打包、部署、签名、调试、监控、运维等各种场景都可能会用到它们,这些工具如图所示。

这里将介绍这些工具中的一部分,主要是用于监视虚拟机运行状态和进行故障处理的工具。

1.1、jps:虚拟机进程状况工具

JDK的很多小工具的名字都参考了UNIX命令的命名方式,jps(JVM Process Status Tool)是其中的典型。除了名字像UNIX的ps命令之外,它的功能也和ps命令类似:可以列出正在运行的虚拟机进程,并显示虚拟机执行主类(Main Class,main()函数所在的类)名称以及这些进程的本地虚拟机唯一ID(LVMID,Local Virtual Machine Identifier)。虽然功能比较单一,但它绝对是使用频率最高的JDK命令行工具,因为其他的JDK工具大多需要输入它查询到的LVMID来确定要监控的是哪一个虚拟机进程。对于本地虚拟机进程来说,LVMID与操作系统的进程ID(PID,Process Identifier)是一致的,使用Windows的任务管理器或者UNIX的ps命令也可以查询到虚拟机进程的LVMID,但如果同时启动了多个虚拟机进程,无法根据进程名称定位时,那就必须依赖jps命令显示主类的功能才能区分了。

jps命令格式:

bash 复制代码
jps [ options ] [ hostid ]

jps执行样例:

bash 复制代码
PS D:\> jps -l
43792
13908 org.jetbrains.idea.maven.server.RemoteMavenServer
13384 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
2440 org.jetbrains.idea.maven.server.RemoteMavenServer
50412 sun.tools.jps.Jps

jps还可以通过RMI协议查询开启了RMI服务的远程虚拟机进程状态,参数hostid为RMI注册表中注册的主机名。jps的其他常用选项见表4-1。

1.2、jstat:虚拟机统计信息监视工具

jstat(JVM Statistics Monitoring Tool)是用于监视虚拟机各种运行状态信息的命令行工具。它可以显示本地或者远程[1]虚拟机进程中的类加载、内存、垃圾收集、即时编译等运行时数据,在没有GUI图形界面、只提供了纯文本控制台环境的服务器上,它将是运行期定位虚拟机性能问题的常用工具。

jstat命令格式为:

bash 复制代码
jstat [ option vmid [interval[s|ms] [count]] ]

对于命令格式中的VMID与LVMID需要特别说明一下:如果是本地虚拟机进程,VMID与LVMID是一致的;如果是远程虚拟机进程,那VMID的格式应当是:

bash 复制代码
[protocol:][//]lvmid[@hostname[:port]/servername]

参数interval和count代表查询间隔和次数,如果省略这2个参数,说明只查询一次。假设需要每250毫秒查询一次进程2764垃圾收集状况,一共查询20次,那命令应当是:

bash 复制代码
jstat -gc 2764 250 20

选项option代表用户希望查询的虚拟机信息,主要分为三类:类加载、垃圾收集、运行期编译状况。详细请参考表:

jstat监视选项众多,囿于版面原因无法逐一演示,这里仅举一个在命令行下监视一台刚刚启动的GlassFish v3服务器的内存状况的例子,用以演示如何查看监视结果。监视参数与输出结果如代码清单:

bash 复制代码
jstat -gcutil 2764
S0 S1 E O P YGC YGCT FGC FGCT GCT
0.00 0.00 6.20 41.42 47.20 16 0.105 3 0.472 0.577

查询结果表明:这台服务器的新生代Eden区(E,表示Eden)使用了6.2%的空间,2个Survivor区(S0、S1,表示Survivor0、Survivor1)里面都是空的,老年代(O,表示Old)和永久代(P,表示Permanent)则分别使用了41.42%和47.20%的空间。程序运行以来共发生Minor GC(YGC,表示Young GC)16次,总耗时0.105秒;发生Full GC(FGC,表示Full GC)3次,总耗时(FGCT,表示Full GC Time)为0.472秒;所有GC总耗时(GCT,表示GC Time)为0.577秒。

使用jstat工具在纯文本状态下监视虚拟机状态的变化,在用户体验上也许不如后文将会提到的JMC、VisualVM等可视化的监视工具直接以图表展现那样直观,但在实际生产环境中不一定可以使用图形界面,而且多数服务器管理员也都已经习惯了在文本控制台工作,直接在控制台中使用jstat命令依然是一种常用的监控方式。

1.3、jinfo:Java配置信息工具

jinfo(Configuration Info for Java)的作用是实时查看和调整虚拟机各项参数。使用jps命令的-v参数可以查看虚拟机启动时显式指定的参数列表,但如果想知道未被显式指定的参数的系统默认值,除了去找资料外,就只能使用jinfo的-flag选项进行查询了(如果只限于JDK 6或以上版本的话,使用java-XX:+PrintFlagsFinal查看参数默认值也是一个很好的选择)。jinfo还可以使用-sysprops选项把虚拟机进程的System.getProperties()的内容打印出来。这个命令在JDK 5时期已经随着Linux版的JDK发布,当时只提供了信息查询的功能,JDK 6之后,jinfo在Windows和Linux平台都有提供,并且加入了在运行期修改部分参数值的能力(可以使用-flag[+|-]name或者-flag name=value在运行期修改一部分运行期可写的虚拟机参数值)。在JDK 6中,jinfo对于Windows平台功能仍然有较大限制,只提供了最基本的-flag选项。

jinfo命令格式:

bash 复制代码
jinfo [ option ] pid

执行样例:查询CMSInitiatingOccupancyFraction参数值

bash 复制代码
jinfo -flag CMSInitiatingOccupancyFraction 1444
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=85

1.4、jmap:Java内存映像工具

jmap(Memory Map for Java)命令用于生成堆转储快照(一般称为heapdump或dump文件)。如果不使用jmap命令,要想获取Java堆转储快照也还有一些比较"暴力"的手段:譬如在第2章中用过的-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError参数,可以让虚拟机在内存溢出异常出现之后自动生成堆转储快照文件,通过-XX:+HeapDumpOnCtrlBreak参数则可以使用[Ctrl]+[Break]键让虚拟机生成堆转储快照文件,又或者在Linux系统下通过Kill-3命令发送进程退出信号"恐吓"一下虚拟机,也能顺利拿到堆转储快照。

jmap的作用并不仅仅是为了获取堆转储快照,它还可以查询finalize执行队列、Java堆和方法区的详细信息,如空间使用率、当前用的是哪种收集器等。

和jinfo命令一样,jmap有部分功能在Windows平台下是受限的,除了生成堆转储快照的-dump选项和用于查看每个类的实例、空间占用统计的-histo选项在所有操作系统中都可以使用之外,其余选项都只能在Linux/Solaris中使用。

jmap命令格式:

bash 复制代码
jmap [ option ] vmid

option选项的合法值与具体含义如表:

代码清单是使用jmap生成一个正在运行的Eclipse的堆转储快照文件的例子,例子中的3500是通过jps命令查询到的LVMID。

bash 复制代码
jmap -dump:format=b,file=eclipse.bin 3500
Dumping heap to C:\Users\IcyFenix\eclipse.bin ...
Heap dump file created

1.5、jhat:虚拟机堆转储快照分析工具

JDK提供jhat(JVM Heap Analysis Tool)命令与jmap搭配使用,来分析jmap生成的堆转储快照。jhat内置了一个微型的HTTP/Web服务器,生成堆转储快照的分析结果后,可以在浏览器中查看。不过实事求是地说,在实际工作中,除非手上真的没有别的工具可用,否则多数人是不会直接使用jhat命令来分析堆转储快照文件的,主要原因有两个方面。一是一般不会在部署应用程序的服务器上直接分析堆转储快照,即使可以这样做,也会尽量将堆转储快照文件复制到其他机器[1]上进行分析,因为分析工作是一个耗时而且极为耗费硬件资源的过程,既然都要在其他机器上进行,就没有必要再受命令行工具的限制了。另外一个原因是jhat的分析功能相对来说比较简陋,后文将会介绍到的VisualVM,以及专业用于分析堆转储快照文件的Eclipse Memory Analyzer、IBM HeapAnalyzer[2]等工具,都能实现比jhat更强大专业的分析功能。代码清单4-3演示了使用jhat分析上一节采用jmap生成的Eclipse IDE的内存快照文件。

代码清单使用jhat分析dump文件:

bash 复制代码
jhat eclipse.bin
Reading from eclipse.bin...
Dump file created Fri Nov 19 22:07:21 CST 2010
Snapshot read, resolving...
Resolving 1225951 objects...
Chasing references, expect 245 dots....
Eliminating duplicate references...
Snapshot resolved.
Started HTTP server on port 7000
Server is ready.

屏幕显示"Server is ready."的提示后,用户在浏览器中输入http://localhost:7000/可以看到分析结果,如图所示。

分析结果默认以包为单位进行分组显示,分析内存泄漏问题主要会使用到其中的"Heap Histogram"(与jmap-histo功能一样)与OQL页签的功能,前者可以找到内存中总容量最大的对象,后者是标准的对象查询语言,使用类似SQL的语法对内存中的对象进行查询统计。

1.6、jstack:Java堆栈跟踪工具

jstack(Stack Trace for Java)命令用于生成虚拟机当前时刻的线程快照(一般称为threaddump或者javacore文件)。线程快照就是当前虚拟机内每一条线程正在执行的方法堆栈的集合,生成线程快照的目的通常是定位线程出现长时间停顿的原因,如线程间死锁、死循环、请求外部资源导致的长时间挂起等,都是导致线程长时间停顿的常见原因。线程出现停顿时通过jstack来查看各个线程的调用堆栈,就可以获知没有响应的线程到底在后台做些什么事情,或者等待着什么资源。

jstack命令格式:

bash 复制代码
jstack [ option ] vmid

option选项的合法值与具体含义如表:

代码清单是使用jstack查看Eclipse线程堆栈的例子,例子中的3500是通过jps命令查询到的LVMID。

bash 复制代码
jstack -l 3500
2010-11-19 23:11:26
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (17.1-b03 mixed mode):
"[ThreadPool Manager] - Idle Thread" daemon prio=6 tid=0x0000000039dd4000 nid= 0xf50 in Object.wait() [0x000000003c96f000]
java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on <0x0000000016bdcc60> (a org.eclipse.equinox.internal.util.impl.tpt.threadpool.Executor)
at java.lang.Object.wait(Object.java:485)
at org.eclipse.equinox.internal.util.impl.tpt.threadpool.Executor.run (Executor. java:106)
- locked <0x0000000016bdcc60> (a org.eclipse.equinox.internal.util.impl.tpt.threadpool.Executor)
Locked ownable synchronizers:
- None

从JDK 5起,java.lang.Thread类新增了一个getAllStackTraces()方法用于获取虚拟机中所有线程的StackTraceElement对象。使用这个方法可以通过简单的几行代码完成jstack的大部分功能,在实际项目中不妨调用这个方法做个管理员页面,可以随时使用浏览器来查看线程堆栈,如下面代码清单所示:

bash 复制代码
<%@ page import="java.util.Map"%>
<html>
<head>
<title>服务器线程信息</title>
</head>
<body>
<pre>
<%
    for (Map.Entry<Thread, StackTraceElement[]> stackTrace : Thread.getAllStack-            Traces().entrySet()) {
        Thread thread = (Thread) stackTrace.getKey();
        StackTraceElement[] stack = (StackTraceElement[]) stackTrace.getValue();
        if (thread.equals(Thread.currentThread())) {
            continue;
        }
        out.print("\n线程:" + thread.getName() + "\n");
        for (StackTraceElement element : stack) {
            out.print("\t"+element+"\n");
        }
    }
%>
</pre>
</body>
</html>

1.7、基础工具总结

下面表中罗列了JDK附带的全部(包括曾经存在但已经在最新版本中被移除的)工具及其简要用途,限于篇幅,本节只讲解了6个常用的命令行工具。笔者选择这几个工具除了因为它们是最基础的命令外,还因为它们已经有很长的历史,能适用于大多数读者工作、学习中使用的JDK版本。在高版本的JDK中,这些工具大多已有了功能更为强大的替代品,譬如JCMD、JHSDB的命令行模式,但使用方法也是相似的,无论JDK发展到了什么版本,学习这些基础的工具命令并不会过时和浪费。

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