JVM性能监控与调优——命令行工具

文章目录

1、概述
2、jps:查看正在运行的Java进程
3、jstat：查看JVM统计信息
4、jinfo：实时查看和修改JVM配置参数
5、jmap：导出内存映像文件和内存使用情况
6、jhat:JDK自带堆分析工具
7、jstack：打印JVM中线程快照
8、jcmd：多功能命令行
9、jstatd：远程主机信息收集
10、小结

性能问题是软件工程师在日常工作中需要经常面对和解决的问题，在用户体验至上的今天，解决好应用的性能问题能带来非常大的收益。工欲善其事，必先利其器，想要解决性能相关问题，必须要有比较好的性能诊断工具。Java作为最流行的编程语言之一，应用的性能诊断一直受到业界广泛关注。造成Java应用出现性能问题的因素非常多，例如线程控制、磁盘读写、数据库访问、网络I/O、垃圾收集等。想要定位这些问题，一款优秀的性能诊断工具必不可少，就好比中医、西医看病，中医讲究的是望、闻、问、切，西医则是借助各种检查仪器。

1、概述

JDK本身已经集成了很多诊断工具。在大家刚接触Java学习的时候，最先了解的两个命令就是javac和java，但是除此之外，还有一些其他工具可以使用，可是并非所有的程序员都了解其他命令行程序的作用，接下来我们一起看看其他命令行程序的作用。进入到安装JDK的bin目录，会发现还有一系列辅助工具。这些辅助工具用来获取目标JVM不同方面、不同层次的信息，帮助开发人员很好地解决Java应用程序的一些疑难杂症。Mac系统bin目录的内容如下图所示：

Windows系统bin目录的内容如下图所示：

虽然在Windows系统下都是exe格式的可执行文件。但事实上，它们只是Java程序的一层包装，其真正实现是在tools.jar中，如下图所示。以jps工具为例，在控制台执行jps命令和执行java -classpath %Java_HOME%/lib/tools.jar sun.tools.jps.Jps命令是等价的，即jps.exe只是这个命令的一层包装。下面介绍一些常用的命令工具。

2、jps:查看正在运行的Java进程

jps(JVM Process Status Tool)命令用于查看系统内所有的JVM进程，可根据参数选项指定是否显示JVM的执行主类［包含main()方法的类］，以及进程的本地JVMID(Local Virtual Machine Identifier)，对于本地JVM进程来说，进程的本地JVMID与操作系统的进程ID是一致的。简单来说，就是Java提供的一个显示当前所有Java进程pid的命令，和Linux系统里的ps命令很相似，ps命令主要是用来显示当前系统的进程情况，比如查看进程列表和进程ID。在日常工作中，此命令也是最常用的命令之一。

jps的基本使用语法如下：

bash 复制代码

     jps  [ options ] [ hostid ]

1、jps命令[options]选项说明：

2、[hostid]说明：

hostid表示目标主机的主机名或IP地址，如果省略该参数，则目标主机为本地主机。如果想要远程监控主机上的Java程序，需要安装jstatd。对于网络安全要求非常严格的场所，需要自定义策略文件来满足对特定的主机或网络的访问，但是这种技术容易受到IP地址欺诈攻击。如果由于安全问题无法通过定制的策略文件处理，那么最安全的操作是在主机本地使用jstat和jps工具。

3、使用案例：

Linux上启动Tomcat（一种Web应用服务器），然后在Linux上面使用ps命令查看Tomcat进程ID使用，如下所示：

bash 复制代码

     ps -ef | grep"tomcat"

运行结果如下图所示：

可以看到进程ID是1224。使用jps -l命令查看，如下图上所示：

3、jstat：查看JVM统计信息

jstat(JVM Statistics Monitoring Tool)用于收集JVM各方面的运行数据，显示本地或远程JVM进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据。在没有图形用户界面时，只提供了纯文本控制台环境的服务器上，它是运行期定位JVM性能问题的首选工具。常用于检测垃圾回收问题以及内存泄漏问题。它的功能非常强大，可以通过它查看堆信息的详细情况。

jstat的基本使用语法如下：

bash 复制代码

     jstat -<option>[-t] [-h<lines>] <vmid>[<interval>[<count>]]

使用下面的命令可以查看jstat相关参数：

bash 复制代码

     jstat -h 或 jstat -help

1、[options]选项说明

2、[-t]参数说明

[-t]参数可以在输出信息前加上一个Timestamp列，显示程序的运行时间。可以比较Java进程的启动时间以及总GC时间（GCT列），或者两次测量的间隔时间以及总GC时间的增量，来得出GC时间占运行时间的比例。如果该比例超过20%，则说明目前堆的压力较大；如果该比例超过90%，则说明堆里几乎没有可用空间，随时都可能抛出OOM异常。

3、[-h]参数说明

[-h]参数可以在周期性数据输岀时，输出设定的行数的数据后输出一个表头信息。

4、[interval]参数说明

[interval]参数用于指定输出统计数据的周期，单位为毫秒，简单来说就是查询间隔时间。

5、[count]参数说明

[count]用于指定查询的总次数。

6、使用案列

由于jstat参数选项比较多，这里只列举一个启动了Tomcat的Linux服务器案例，查看其监视状态，命令如下所示。

运行结果如下图所示：

运行结果的各列表示的含义如下表所示：

jstat还可以用来判断是否出现内存泄漏，步骤如下：

(1)在长时间运行的Java程序中，可以运行jstat命令连续获取多行性能数据，并取这几行数据中OU列（即已占用的老年代内存）的最小值。
(2)每隔一段较长的时间重复一次上述操作，获得多组OU最小值。如果这些值呈上涨趋势，则说明该Java程序的老年代内存已使用量在不断上涨，这意味着无法回收的对象在不断增加，因此很有可能存在内存泄漏。

4、jinfo：实时查看和修改JVM配置参数

jinfo(Configuration Info for Java)可用于查看和调整JVM的配置参数。在很多情况下，Java应用程序不会指定所有的JVM参数。而此时，开发人员可能不知道某一个具体的JVM参数的默认值。在这种情况下，可能需要通过查找文档获取某个参数的默认值。这个查找过程可能是非常艰难的。但有了jinfo工具，开发人员可以很方便地找到JVM参数的当前值。上面讲解的jps -v命令虽然可以查看JVM启动时显示指定的参数列表，但是如果想要知道未被显示指定的参数的系统默认值，就需要用到jinfo工具了。

第二个作用就是在程序运行时修改部分参数，并使之立即生效。并非所有参数都支持动态修改，只有被标记为manageable的参数可以被实时修改。其实，这个修改能力是极其有限的，使用下面的命令查看被标记为manageable的参数。

bash 复制代码

     java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep manageable

运行结果如下图所示：

jinfo的基本使用语法如下：

bash 复制代码

     jinfo  [ options ] pid

1、[ options ]选项说明

jinfo工具options主要选项如下表所示：

2、pid说明

Java进程ID，必须要加上。

3、使用案例

由于jinfo可以查看JVM配置信息，也可用于调整JVM的配置参数，下面分两类案例分别讲解如何使用。

4、jinfo用于查看JVM配置信息案例

程序很简单，只需要保证程序在执行状态即可。首先使用jps命令查看进程ID，如下所示：

bash 复制代码

     #查看进程ID
     jps -l

执行结果如下：

bash 复制代码

     C:\Users\Administrator>jps -l
     15008 com.yang.ScannerTest
     14820 sun.tools.jps.Jps

上面出现两个结果，ScannerTest程序的进程ID是15008，另外一个进程ID表示jps命令本身的进程。下面使用jinfo命令来查看JVM配置参数，命令如下:

(1)根据进程ID查询全部参数和系统属性:

bash 复制代码

     #查看全部参数和系统属性，
     jinfo  15008

因篇幅所限，只展示部分结果，如下所示:

结果中含有Java系统属性(System Properties)和JVM参数(VM Flags)。

(2)根据进程ID查询系统属性（选项：-sysprops）命令如下：

bash 复制代码

     #查看系统属性
     jinfo -sysprops 15008

运行结果如下，篇幅原因只展示部分结果，如下所示：

通过Java代码获取系统属性如下代码清单所示：

运行结果如下图所示：

通过比较两者结果一致。

(3)查看全部JVM参数配置（选项：flags），命令如下：

bash 复制代码

     #查看全部JVM参数配置
     jinfo -flags 15008

运行结果如下图所示：

可以看到里面包含初始堆大小、最大堆大小等参数配置。

(4)查看某个Java进程的具体参数的值（选项：-flag name），命令如下：

bash 复制代码

     #查看JVM是否使用了ParallelGC垃圾收集器
     jinfo --flag UseParallelGC 15008

运行结果如下图所示：

可以看到结果为-XX:+UseParallelGC，其中UseParallelGC前面的"+"表示已经使用，如果没有使用的话，用"-"表示。也可以查看某个参数的具体数值，比如查看新生代对象晋升到老年代对象的最大年龄，命令如下：

bash 复制代码

     #新生代对象晋升到老年代对象的最大年龄
     jinfo -flag MaxTenuringThreshold 15008

从结果可知新生代对象晋升到老年代对象的最大年龄是15。

5、jinfo用于修改JVM配置信息案例

(1)开启或者关闭对应名称的参数(-flag [±]name)（或者称为修改布尔类型的参数）。

首先查看是否开启输出GC日志的参数，如果GC日志参数是开启状态，那么使用jinfo命令关闭；如果GC日志参数是关闭状态，那么使用jinfo命令开启，命令如下：

对于布尔类型的JVM参数，不仅可以使用-flag [±]name的形式来进行值的改变，也可以使用-flag name=value的形式修改运行时的JVM参数。但是对value赋值必须是1或者0,1表示"+"，0表示"-"，如下所示：

(2)修改对应名称的参数(-flag name=value)（或者称为修改非布尔类型的参数）。

修改非布尔类型MaxHeapFreeRatio的值，命令如下：

运行结果如下图所示：

除了使用jinfo查看JVM配置参数之外，还有如下方式：

java -XX:+PrintFlagsInitial执行结果如下，展示部分结果：

java -XX:+PrintFlagsFinal执行结果如下，展示部分结果：

输出结果中包含五列。第一列表示参数的数据类型，第二列表示参数名称，第四列表示参数的值，第五列表示参数的类别。第三列"="是参数的默认值，而":="表示参数被用户或者JVM赋值了。可以通过"java -XX:+PrintFlagsFinal |grep":=""命令查看哪些参数是被用户或者JVM赋值的。java -XX:+PrintFlagsInitial只展示了第三列为"="的参数。

java -XX:+PrintCommandLineFlags执行结果如下，该参数输出被用户或者JVM设置过的详细的-XX参数的名称和值：

bash 复制代码

     -XX:InitialHeapSize=268435456
     -XX:MaxHeapSize=4294967296
     -XX:+PrintCommandLineFlags
     -XX:+UseCompressedClassPointers
     -XX:+UseCompressedOops
     -XX:+UseParallelGC

该参数的结果是java -XX:+PrintFlagsFinal的结果中带有":="的部分参数。可以通过该命令快捷地查看修改过的参数。

5、jmap：导出内存映像文件和内存使用情况

jmap(JVM Memory Map)用于生成JVM的内存转储快照，生成heapdump文件且可以查询finalize执行队列，以及Java堆与元空间的一些信息。jmap的作用并不仅仅是为了获取dump文件（堆转储快照文件，二进制文件），它还可以获取目标Java进程的内存相关信息，包括Java堆各区域的使用情况、堆中对象的统计信息、类加载信息等。

开发人员可以在控制台中输入命令"jmap-help"，查阅jmap工具的具体使用方式和标准选项配置。jmap的基本使用语法如下：

1、[ options ]选项说明

jmap工具[options]主要选项如下表所示：

这些参数和Linux下输入显示的命令多少会有一些不同，也受JDK版本的影响。其中选项-dump、-heap、-histo是开发人员在工作中使用频率较高的指令。

2、使用案例

(1)-dump选项：导出内存映像文件。

一般来说，使用jmap指令生成dump文件的操作算得上是最常用的jmap命令之一，将堆中所有存活对象导出至一个文件之中。执行该命令，JVM会将整个Java堆二进制格式转储到指定filename的文件中。live子选项是可选的，如果指定了live子选项，堆中只有存活的对象会被转储。

通常在写dump文件前会触发一次Full GC，所以dump文件里保存的都是Full GC后留下的对象信息。由于生成dump文件比较耗时，因此大家需要耐心等待，尤其是大内存镜像生成dump文件需要耗费更长的时间来完成。

如果想要浏览dump文件，大家可以使用jhat（Java堆分析工具）读取生成的文件，也可以使用可视化工具进行解读，比如MAT内存分析工具。获取dump文件有手动获取和自动获取两种方式。

手动获取的意思是当发现系统需要优化或者需要解决内存问题时，需要开发者主动执行jmap命令，导出dump文件，手动获取命令如下：

bash 复制代码

     #手动获取堆内存全部信息
     jmap -dump:format=b,file=<filename.hprof><pid>
     #手动获取堆内存存活对象全部信息
     jmap -dump:live,format=b,file=<filename.hprof><pid>

代码清单如下所示，往堆内存中存放数据，然后导出dump文件。

运行程序，最终该程序会产生内存溢出，在执行过程中使用上述命令导出dump文件即可，运行结果如下图所示：

上述命令中，file表示指定文件目录，这里将文件放到D盘根目录，10692表示Java进程ID，结果如下图所示，dump1.hprof就是导出的结果文件。

当程序发生内存溢出退出系统时，一些瞬时信息都随着程序的终止而消失，而重现OOM问题往往比较困难或者耗时。若能在OOM时，自动导出dump文件就显得非常迫切。可以配置JVM参数"-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError："使程序发生OOM时，导出应用程序的当前堆快照。

依然使用上面代码，在启动程序之前，在idea中添加如下JVM参数配置：

bash 复制代码

     -Xms60m
     -Xmx60m
     -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError
     -XX:HeapDumpPath=d:/autoDump.hprof

添加参数如下图所示：

启动程序，运行结果如下图所示：

从结果可知，程序发生了内存溢出，此时dump文件自动生成到目标目录中，如下图所示：

(2)-heap选项：显示堆内存相关信息

命令如下：

bash 复制代码

     #1520表示当前进程ID
     jmap -heap 1520

运行结果如下：

打印heap的概要信息、GC使用的算法、heap的配置和使用情况，可以判断当前堆内存使用情况以及垃圾回收情况。

可以看到最大堆大小为60MB，和前面的VM配置信息一致；新生代大小等于Eden区加From区加To的大小，总共为20MB，符合新生代和老年代比例大小为2:1；老年代大小为40MB，老年代使用率达到了99.53%，说明老年代空间是不足的。

(3)-hiso选项：显示堆中对象的统计信息：

bash 复制代码

     #1520表示当前进程ID
     jmap -histo 1520

运行结果如下，由于篇幅原因，展示部分结果：

上面结果中，instances表示当前的实例数量；bytes表示对象占用的内存大小；classs name表示类名，按照内存大小逆序排列。

(4)-permstat选项：

该选项主要以ClassLoader为口径输出永久代的内存状态信息，仅对Linux和solaris平台有效。

(5)-finalizerinfo选项。

该选项主要用来显示F-Queue中等待Finalize线程执行finalize方法的对象，就是说查看堆积在finalizer队列中的对象。仅对Linux和solaris平台有效。

(6)-F选项

该选项用于当JVM进程对-dump选项没有任何响应时，可使用此选项强制执行生成dump文件。仅对Linux和solaris平台有效。

由于jmap将访问堆中的所有对象，为了保证在此过程中不被应用线程干扰，jmap需要借助安全点机制，让所有线程不改变堆中数据的状态。也就是说，由jmap导出的堆快照必定是安全点位置的。这可能导致基于该快照的分析结果存在偏差。例如，假设在编译生成的机器码中，某些对象的生命周期在两个安全点之间，那么：live选项将无法探知到这些对象。另外如果某个线程长时间无法跑到安全点，jmap将一直等待下去。与前面讲的jstat不同，垃圾收集器会主动将jstat所需要的摘要数据保存至固定位置中，而jstat只需要直接读取即可。

6、jhat:JDK自带堆分析工具

jhat(JVM Heap Analysis Tool)命令一般与jmap命令搭配使用，用于分析jmap生成的dump文件（堆转储快照）。jhat内置了一个微型的HTTP/HTML服务器，生成dump文件的分析结果后，用户可以在浏览器中查看分析结果。

使用了jhat命令，就启动了一个http服务，端口是7000，即通过访问http://localhost:7000/就可以在浏览器中查看结果。jhat命令在JDK9中已经被删除，官方建议用VisualVM代替。实际工作中一般不会直接在生产服务器使用jhat分析dump文件。

7、jstack：打印JVM中线程快照

jstack(JVM Stack Trace)用于生成JVM指定进程当前时刻的线程快照(Thread Dump)，方便用户跟踪JVM堆栈信息。线程快照就是当前JVM内指定进程的每一条线程正在执行的方法堆栈的集合。

生成线程快照的作用是可用于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等待等问题，这些都是导致线程长时间停顿的常见原因。当线程出现停顿时，就可以用jstack显示各个线程调用的堆栈情况。

在线程快照中，有下面几种状态，如下表所示：

其中线程的Deadlock、Waiting on condition、Waiting on monitor entry以及Blocked状态需要在分析线程栈的时候重点关注。

jstack的基本使用语法如下：

bash 复制代码

     jstack [ option ] <pid>

1、[ options ]选项说明

jstack工具[options]主要选项如下表所示：

2、使用案例

代码清单如下演示了线程死锁，使用jstack命令观察线程状态。

上面例子很简单，启动了两个线程，分别获取对方的资源，如此造成死锁。下面启动程序，使用jstack命令查看线程状态，命令如下，其中1776是程序的进程ID。

bash 复制代码

     jstack 1776

运行结果如下：

从上面结果中可以发现，Thread-1线程和Thread-0线程互相等待对方的资源，问题代码出现"com.yang.ThreadDeadLock$2.run()"行。在死锁情况出现时，可以很方便地帮助定位到问题。也可以通过Thread.getAllStackTraces()方法获取所有线程的状态，代码清单如下所示：

运行结果如下图所示，可以看到各个线程的状态：

8、jcmd：多功能命令行

在JDK1.7以后，新增了一个命令行工具jcmd。它是一个多功能的工具，可以用来实现前面除了jstat之外所有命令的功能，比如用它来导出堆、内存使用、查看Java进程、导出线程信息、执行GC、JVM运行时间等。jcmd拥有jmap的大部分功能，并且官方也推荐使用jcmd命令代替jmap命令。

至于jstat的功能，虽然jcmd复制了jstat的部分代码，并支持通过PerfCounter.print子命令来打印所有的Performance Counter，但是它没有保留jstat的输出格式，也没有重复打印的功能。

jcmd的基本使用语法如下表所示：

9、jstatd：远程主机信息收集

之前的指令只涉及监控本机的Java应用程序，而在这些工具中，一些监控工具也支持对远程计算机的监控（如jps、jstat）。为了启用远程监控，则需要配合使用jstatd工具。

命令jstatd是一个RMI服务端程序，它的作用相当于代理服务器，建立本地计算机与远程监控工具的通信。jstatd服务器将本机的Java应用程序信息传递到远程计算机。执行原理如下图所示：

直接打开jstatd服务器可能会抛出访问拒绝异常，这是因为jstatd程序没有足够的权限，如下图所示：

10、小结

介绍了JDK自带的命令行工具及其常用参数。当Java应用和服务出现莫名的卡顿、CPU飙升等问题时，通过JDK自带的状态监控命令和图形化工具，可以非常方便地分析对应进程的JVM状态，进而定位问题并解决问题。