jdk工具-VisualVM

一、VisualVM 简介

1.1 什么是 VisualVM

VisualVM 是一款基于 Java 平台的可视化工具，主要用于监控、分析和调试运行中的 Java 应用程序。它整合了多个 JDK 提供的命令行工具（如 jstat、jstack、jmap、jinfo），提供统一的图形界面，使开发者能够实时查看内存使用、线程状态、CPU 消耗等关键性能指标。

1.2 历史与发展

VisualVM 最初由 Sun Microsystems 开发，随着 Oracle 收购 Sun 后成为 JDK 的附带工具之一。在 Java 9 后，它从 JDK 分离出来成为独立项目，并持续更新。

1.3 适用人群与应用场景

VisualVM 适用于所有级别的 Java 开发者，尤其适用于如下场景：

性能调优
内存泄漏排查
线程死锁分析
实时系统资源监控

二、安装与配置

2.1 下载地址

VisualVM 官方网站：https://visualvm.github.io/

2.2 安装步骤

访问官网下载页面，根据操作系统选择合适的版本。
解压缩安装包至本地目录。
启动方式：执行 bin/visualvm（Linux/macOS）或 visualvm.exe（Windows）。

2.3 系统要求

Java 8 及以上版本。
JDK 安装路径已配置至系统环境变量。

2.4 与 JDK 的集成

在 VisualVM 中集成 JDK 的工具可通过如下方式实现：

复制代码

export JAVA_HOME=/path/to/jdk
export PATH=$JAVA_HOME/bin:$PATH

2.5 配置远程监控权限（示例 JMX 设置）

在目标 Java 应用的启动参数中添加：

复制代码

-Dcom.sun.management.jmxremote \
-Dcom.sun.management.jmxremote.port=9010 \
-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false \
-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false \
-Djava.rmi.server.hostname=127.0.0.1

三、用户界面概览

3.1 主窗口介绍

VisualVM 的主界面由以下几部分组成：

Applications 面板：列出当前可监控的本地及远程应用。
概览（Overview）：展示应用基本信息、JVM 参数等。
监视（Monitor）：实时展示堆内存、线程、GC 活动图表。
线程（Threads）：线程活动、栈帧、状态信息。
采样器（Sampler）/分析器（Profiler）：进行 CPU、内存分析。

3.2 基本导航

通过双击 Applications 面板中的应用，即可进入详细监控视图。

3.3 快捷操作

F7：线程转储
F9：堆转储
Ctrl+Shift+S：CPU 采样

四、应用程序监控

4.1 本地应用监控

VisualVM 自动列出当前运行在本机上的 Java 应用，点击即可开始监控。

4.2 远程应用监控

菜单栏选择：文件 -> 添加远程主机
输入 IP 地址
添加 JMX 端口连接即可。

4.3 示例：连接并监控 Tomcat 服务

假设 Tomcat 启动命令中已配置 JMX 参数，在 VisualVM 中添加远程主机并配置 9010 端口，即可开始实时监控。

五、性能分析功能

5.1 CPU 分析

VisualVM 提供两种方式进行 CPU 分析：采样（Sampling） 和 分析（Profiling）。

5.1.1 CPU 采样

优点：低开销，适合线上问题快速诊断。
使用方式：点击"Sampler"面板中的"CPU"按钮，然后点击"启动"按钮即可开始。
示例：

public class CPUDemo {
public static void main(String[] args) {
while (true) {
Math.pow(Math.random(), Math.random());
}
}
}

查看哪些方法调用最频繁，定位性能热点。

5.1.2 CPU 分析

优点：提供方法调用图（调用路径），适用于深入剖析。
缺点：性能开销较大。
启用方式：点击"Profiler"面板中的"CPU"，点击"分析"，程序开始执行分析。

5.2 内存分析

VisualVM 可分析对象的分配情况，定位内存泄漏。

5.2.1 采样

查看不同类实例的分布与大小。
确定内存分配热点类。

5.2.2 分析（Profiling）

启动方式同 CPU 分析，选择 Memory 分析项。
查看哪些类在短时间内创建大量对象。

5.3 线程分析

通过"Threads"面板，VisualVM 提供实时线程视图：

查看每个线程的当前状态（如 RUNNABLE、WAITING）
查看线程调用栈，排查死锁。

示例死锁检测：

复制代码

Thread t1 = new Thread(() -> {
    synchronized (String.class) {
        synchronized (Integer.class) {
            System.out.println("t1 done");
        }
    }
});

Thread t2 = new Thread(() -> {
    synchronized (Integer.class) {
        synchronized (String.class) {
            System.out.println("t2 done");
        }
    }
});
t1.start(); t2.start();

使用 VisualVM 查看线程栈时可清晰发现死锁位置。

六、堆转储与分析

在 Java 应用的性能分析与故障排查过程中，内存泄漏是最常见的问题之一。VisualVM 提供了堆转储（Heap Dump）功能，帮助开发者捕获并分析 JVM 堆内存的使用情况。

6.1 什么是堆转储（Heap Dump）

堆转储是 JVM 内部堆内存的快照，包含了所有在特定时刻仍被引用的对象信息。通过分析堆转储文件，我们可以发现：

哪些类实例数量最多
哪些对象占用了最多内存
是否存在无法释放的对象（潜在内存泄漏）

6.2 如何生成堆转储

在 VisualVM 中生成堆转储非常简单：

打开已连接的 Java 应用程序。
在应用标签中点击顶部菜单的 堆转储（Heap Dump） 按钮，或使用快捷键 F9。
VisualVM 会在内存分析面板中展示生成的堆转储数据。

堆转储也可以通过外部工具生成，例如使用 jmap 命令：

复制代码

jmap -dump:live,format=b,file=heapdump.hprof <pid>

然后使用 VisualVM 打开 .hprof 文件进行分析。

6.3 堆转储分析界面详解

VisualVM 的堆转储分析面板主要包括以下几个部分：

Classes：列出所有类及其实例数、内存占用等。
Instances：可查看每个类的对象实例，并进一步查看其字段。
References：追踪对象引用关系，判断 GC Root 路径。

6.4 内存泄漏排查实战

示例代码：内存泄漏

复制代码

import java.util.ArrayList;

public class LeakDemo {
    static final ArrayList<Object> list = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            list.add(new byte[1024 * 1024]); // 每次添加 1MB
        }
    }
}

运行以上代码后，在 VisualVM 中观察内存曲线持续上升。

生成堆转储并查看 byte[] 实例数量和总大小。
查看引用链，发现所有对象都被 LeakDemo.list 静态字段引用，无法被 GC。

6.5 分析技巧与建议

使用 类名过滤器 快速定位目标类。
关注"大量实例"或"单个对象占用巨大空间"的类。
检查 GC Root 路径，识别不必要的强引用。
多次堆转储对比分析，观察增长趋势。

6.6 限制与注意事项

堆转储会暂停目标 JVM，在线业务需谨慎操作。
堆转储文件体积大，不宜频繁保存。
分析大量数据时可能消耗大量内存，建议使用 64 位 JVM 运行 VisualVM。

七、线程转储与分析

线程问题是 Java 应用中常见的性能瓶颈之一，尤其是在出现死锁、线程饥饿、线程暴涨等异常行为时，线程转储（Thread Dump）是定位问题的重要手段。VisualVM 提供了便捷的线程转储功能，并配套可视化分析工具，帮助开发者快速理解并解决线程相关问题。

7.1 什么是线程转储（Thread Dump）

线程转储是 JVM 某一时刻所有线程的执行状态快照，包括线程名称、线程 ID、线程状态（如 RUNNABLE、WAITING、BLOCKED）、调用堆栈等信息。通过线程转储我们可以：

分析线程运行状态
定位死锁位置
检查是否存在线程等待/阻塞异常
查看线程栈顶方法，排查性能热点

7.2 如何生成线程转储

在 VisualVM 中生成线程转储的方式如下：

打开目标应用程序。
点击"线程（Threads）"选项卡。
点击工具栏上的"线程转储"按钮，或使用快捷键 F7。

也可以使用命令行工具 jstack 获取线程转储：

复制代码

jstack <pid> > threaddump.txt

然后使用 VisualVM 打开或配合外部工具进行分析。

7.3 线程分析界面详解

在 VisualVM 中点击"Threads"标签页后，可以看到如下内容：

实时线程列表：展示当前所有线程及其状态。
线程活动图表：以图形方式展示线程数量变化趋势。
线程栈跟踪：显示选中线程的调用栈详情。
死锁检测提示：若存在死锁，VisualVM 会自动在界面顶部显示警告并高亮相关线程。

7.4 死锁分析实战

示例：典型死锁代码

复制代码

public class DeadlockDemo {
    private static final Object A = new Object();
    private static final Object B = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (A) {
                try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException ignored) {}
                synchronized (B) {
                    System.out.println("Thread 1 completed");
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (B) {
                try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException ignored) {}
                synchronized (A) {
                    System.out.println("Thread 2 completed");
                }
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

运行该程序后：

使用 VisualVM 打开线程面板
生成线程转储并查看两个线程的状态
可发现 Thread-1 持有锁 A 等待锁 B，而 Thread-2 持有锁 B 等待锁 A
VisualVM 自动检测到死锁并显示红色提示

7.5 排查线程阻塞与等待

在实际系统中，有时线程并未死锁，但可能长时间处于 BLOCKED 或 WAITING 状态，例如等待数据库连接、等待锁竞争。

通过 VisualVM 可：

观察线程的状态及变更频率
分析线程栈顶位置（是否频繁阻塞在某个方法）
排查是否出现连接池枯竭、I/O 阻塞等问题

7.6 分析技巧与建议

多次采集线程转储，分析线程栈变化趋势
使用线程名称筛选关键业务线程（如 http-nio-8080-exec-XX）
检查是否存在大量状态为 BLOCKED 的线程，查找锁资源竞争点
对比不同时间点的线程活动变化，识别异常增长趋势

7.7 注意事项

在线程较多的系统中，线程转储信息可能非常庞大，建议使用筛选与搜索工具进行辅助分析。
线程转储为静态快照，建议结合持续监控图表观察长期趋势。
若 VisualVM 无法检测死锁，可结合 jstack 与第三方分析器（如 fastThread）辅助诊断。

八、插件与扩展

VisualVM 的强大功能不仅源于其内置工具，还得益于灵活的插件架构。通过安装插件，用户可以扩展 VisualVM 的功能，满足更复杂的性能分析、可视化需求。

8.1 插件中心简介

VisualVM 提供内建的插件中心（Tools > Plugins），其中包含了多个官方和社区提供的插件。用户可以在不重启工具的前提下安装、更新或卸载插件。

打开方式：

在菜单栏选择 Tools > Plugins。
浏览 Available Plugins 选项卡。
勾选所需插件，点击"安装"即可。

8.2 常用插件推荐

以下是一些实用的官方或社区插件，推荐安装：

VisualGC

实时显示 JVM 的各个堆区（Eden、Survivor、Old Gen、Perm/Metaspace）使用情况。
适合观察 GC 活动与内存分布。

BTrace 插件

支持动态注入 Java 字节码，无需重启应用。
可用于无侵入地追踪变量值、方法调用。
示例：打印某类某方法的入参和执行时间。

MBeans 插件（JMX）

展示应用的 MBean 树结构。
支持读取、修改属性值，调用操作方法。

Sampler Diff

对比不同时间点采样结果，识别性能变化趋势。

Threads Visualizer（线程可视化）

提供线程状态动态时间线视图，便于观察线程生命周期及状态变化。

8.3 插件安装与使用示例

以安装 VisualGC 插件为例：

打开插件管理器：Tools > Plugins
在"可用插件"中选择 VisualGC
点击"安装"，按提示完成
安装后重新打开 Java 应用节点，会多出一个 VisualGC 标签页

该标签页中会实时显示各堆区容量与使用量，辅助分析 GC 频率与内存压力。

8.4 开发自定义插件（高级）

VisualVM 允许开发者基于其模块架构（NetBeans Platform）自定义插件。

基本步骤：

使用 NetBeans IDE 创建 Module Suite 项目。
引入 VisualVM API：
- 使用 Maven 或直接引用 SDK Jar 包。
实现核心扩展接口：如 ApplicationPlugin, TabProvider, DataSourceView 等。
编译后生成 .nbm 文件，在 VisualVM 中通过"Downloaded"安装。

插件功能示例：

实现自定义的性能仪表盘
监控特定业务指标，如缓存命中率、请求成功率等
创建日志分析面板，实时展示异常堆栈

参考文档：

VisualVM 官方插件开发文档：https://visualvm.github.io/plugins.html
NetBeans 平台开发指南：https://netbeans.apache.org/kb/docs/platform.html

8.5 插件使用注意事项

插件安装后可能需重启 VisualVM 才能生效
插件兼容性受限于 VisualVM 版本，请定期检查更新
避免同时安装多个资源密集型插件，以防性能下降

九、实用示例

本章通过几个实际案例展示如何使用 VisualVM 快速定位 Java 应用的性能问题、资源泄漏和线程异常。通过这些示例，读者可以掌握 VisualVM 在真实场景中的应用技巧。

9.1 示例一：定位内存泄漏问题

背景

一个长期运行的服务应用突然频繁发生 OutOfMemoryError，并且系统响应变慢。

分析步骤

使用 VisualVM 连接目标应用。
打开 "Monitor" 面板，观察堆内存使用曲线是否呈持续上升趋势。
点击 "Heap Dump" 生成堆转储。
切换到 "Heap Dump" 视图：
- 查看 "Classes" 标签，按 "Instances" 或 "Size" 排序。
- 查找是否存在异常多的对象实例。
使用 "References" 查看对象引用链，识别 GC 无法回收的路径。

示例代码（模拟泄漏）

复制代码

import java.util.*;

public class MemoryLeakDemo {
    static List<Object> leakList = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        while (true) {
            leakList.add(new byte[1024 * 100]); // 每次添加 100KB
            Thread.sleep(100);
        }
    }
}

运行该程序后观察内存曲线变化，可明显发现内存持续增长且不被回收。

9.2 示例二：排查线程死锁

背景

线上应用偶尔无响应，经排查为线程死锁。

分析步骤

使用 VisualVM 打开目标应用。
点击 "Threads" 面板，观察是否存在大量 BLOCKED 线程。
点击 "Thread Dump" 查看线程调用栈。
如果检测到死锁，VisualVM 会高亮冲突线程。

示例代码（模拟死锁）

复制代码

public class DeadlockExample {
    private static final Object A = new Object();
    private static final Object B = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(() -> {
            synchronized (A) {
                try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException ignored) {}
                synchronized (B) {
                    System.out.println("Thread 1 done");
                }
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(() -> {
            synchronized (B) {
                try { Thread.sleep(100); } catch (InterruptedException ignored) {}
                synchronized (A) {
                    System.out.println("Thread 2 done");
                }
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

执行后立即使用 VisualVM 查看线程状态，即可发现死锁。

9.3 示例三：分析 CPU 高占用

背景

系统突然 CPU 占用飙升，但线程数正常。

分析步骤

在 VisualVM 中点击目标应用。
打开 "Sampler" > "CPU"，点击 "Start" 开始采样。
等待采样一段时间后点击 "Stop"，查看方法调用热点。
找出占用 CPU 时间最长的方法。

示例代码（模拟 CPU 紧张）

复制代码

public class CpuHotLoop {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            Math.pow(Math.random(), Math.random());
        }
    }
}

启动该程序后用 VisualVM 采样，可以看到 Math.pow 是 CPU 消耗最多的热点方法。

9.4 示例四：监控远程服务器应用

背景

需要实时监控部署在远程 Linux 上的 Java 应用。

操作步骤

确保远程应用启动时开启了 JMX 支持，例如：

java -Dcom.sun.management.jmxremote
-Dcom.sun.management.jmxremote.port=1099
-Dcom.sun.management.jmxremote.local.only=false
-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false
-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false
-Djava.rmi.server.hostname=<remote-ip>
-jar app.jar
在 VisualVM 中添加远程主机：右键 "远程" > "添加主机"
输入 IP 地址后，右键该主机 > 添加 JMX 连接
成功连接后即可像本地应用一样进行采样、监控、转储等操作