一些JDK自带的性能分析利器

有时候碰到服务器CPU飙升或者程序卡死之类的问题,一般都不太好定位。这类bug一般都隐藏的比较深并且还可能是偶发性的,比较棘手。

对于此类问题,一般我们都有固定的分析流程。借助于JDK自带的一些分析工具,比如jstack、jmap、jstat一类的命令行工具,除此之外,还有jconsole、mat、jvisualvm这些图形界面分析工具。

这篇文章基于JDK8,操作系统是macOS 12.0.1

1、一些命令行分析工具

这些命令行分析工具都在jdk/bin目录下

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解压jdk/lib/tool.jar可以得到上述工具的class文件

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1.1 jps – JVM Process Status Tool

作用:列出正在运行的虚拟机进程,并显示虚拟机执行主类名称以及这些进程的本地虚拟机唯一ID。

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第一个参数说明:

  • -q:默认携带的参数,显示进程ID。

  • -m:显示进程ID,主类名称,以及传入main方法的参数。

  • -l:显示进程ID,主类全名。

  • -v:显示进程ID,主类名称,以及传入JVM的参数。

  • -V:显示进程ID,主类名称。

[-mlvV]可以任意组合使用。

第二个参数说明:

  • hostid:服务器的ip地址。不指定的情况下,默认为当前服务器。如果要查看其他机器上的JVM进程,需要在待查看机器上启动jstatd。

1.2 jstat – JVM Statistics Monitoring Tool

作用:监视虚拟机各种运行状态信息,可以显示本地或者远程虚拟机进程中的类装载、内存、垃圾收集、JIT编译等运行数据。

命令格式:jstat – [-t] [-h

]

[

[

]]

参数说明

第一个参数:option,代表用户希望查询的虚拟机信息,主要分为3类:类装载、垃圾收集和运行期编译情况。具体选项如下:

  • -class:显示有关类加载器行为的统计信息。

  • -compiler:显示有关java hotspot vm即时编译器行为的统计信息。

  • -gc:显示有关垃圾收集堆行为的统计信息。

  • -gccapacity:显示有关各个垃圾回收代容量及其相应容量的统计信息。

  • -gccause:显示有关垃圾收集统计信息(同-gcutil),以及上一次和当前垃圾收集事件的原因。

  • -gcnew:显示新生代行为的统计信息。

  • -gcnewcapacity:显示有关新生代大小及其相应空间的统计信息。

  • -gcold:显示老年代行为的统计信息和元空间统计信息。

  • -gcoldcapacity:显示有关老年代大小的统计信息。

  • -gcmetacapacity:显示有关元空间大小的统计信息。

  • -gcutil:显示有关垃圾收集统计信息。

  • -printcompilation:显示java hotspot vm编译方法统计信息。

第二个参数:vmid。如果是本地虚拟机进程,那么vmid和本地虚拟机唯一ID是一致的。如果是远程虚拟机进程,那么vmid的格式是:protocol:lvmid[@hostname[:port]/servername]

第三个参数:interval。采样间隔,单位为s或ms,默认单位是ms,必须为整数。指定该参数,jstat命令将在每个间隔产生输出。

第四个参数:count。要显示的样本数。

import java.io.IOException;

/**
 * -class:
 *  Loaded:已加载的类数量。
 *  Bytes:已加载的kb数。
 *  Unloaded:卸载的类数量。
 *  Bytes:卸载的kb数。
 *  Time:执行类加载和卸载的耗时。
 *
 * -compiler:
 *  Compiled:执行的编译任务数。
 *  Failed:编译失败的任务数。
 *  Invalid:无效的编译任务数。
 *  Time:执行编译任务所花费的时间。
 *  FailedType:失败的编译类型。
 *  FailedMethod:失败的编译类名和方法。
 */
public class Demo1_jstat {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("jstat");
        System.in.read();
    }
}

启动上面的demo后

import java.io.IOException;

/**
 * -gc: 垃圾收集的堆统计信息
 *  S0C:s0区的容量(kb)
 *  S1C:s1区的容量(kb)
 *  S0U:s0区的使用大小(kb)
 *  S1U:s1区的使用大学(kb)
 *  EC:eden区的容量(kb)
 *  EU:eden区的使用大小(kb)
 *  OC:老年代容量(kb)
 *  OU:老年代的使用大小(kb)
 *  MC:元空间的容量(kb)
 *  MU:元空间的使用大小(kb)
 *  CCSC:压缩的类空间容量(kb)
 *  CCSU:使用的压缩类空间大小(kb)
 *  YGC:新生代垃圾收集次数
 *  YGCT:新生代垃圾回收时间
 *  FGC:full gc收集次数
 *  FGCT:full gc垃圾回收时间
 *  GCT:总垃圾收集时间
 *
 * -gcutil:垃圾收集统计信息
 *  S0:s0区的使用率
 *  S1:s1区的使用率
 *  E:eden区使用率
 *  O:老年代使用率
 *  M:元空间使用率
 *  CCS:压缩类空间使用率
 *  YGC:新生代gc次数
 *  YGCT:新生代gc耗费时间
 *  FGC:full gc次数
 *  FGCT:full gc耗费时间
 *  GCT:总垃圾收集时间
 */
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;
        // 申请2M的空间
        byte[] b1 = new byte[2 * _1MB];
        System.out.println("1111");
        System.in.read();

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

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

启动上面的程序之前,先指定一些jvm参数

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

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然后启动demo

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刚启动时,程序会申请2M的数组,可以看到eden区的使用率是62.37%,ygc的值为0。

让程序申请第二个2M的数组,之后再查看堆内存信息

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可以发现eden区的使用率达到了87.37%。

让程序申请第三个2M的数组,发现控制台输出提示

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再查看堆内存信息

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发现eden区的使用率降到了26.71,s1区使用率时70.80%,老年代的使用率是40%即4096kb也就是4M空间大小。同时ygc的次数是1,说明进行了一次ygc,并且把大对象放进了老年代中。

1.3 jinfo – Configuration Info For Java

作用:实时的查看和调整虚拟机各项参数。

命令格式:jinfo [option]

参数说明

第一个参数:option。

  • no options:输出全部的参数和系统属性。

  • -flag name:输出对应名称的参数。

  • -flag [+ | -] name:开启或者关闭对应名称的参数。

  • -flag name=value:设置对于名称参数的参数值。

  • -flags:输出全部的参数。

  • -sysprops:输出全部的系统属性。

命令演示

  • jinfo pid

  • jinfo -flag PrintGCDetails pid (输出PrintGCDetails参数的值)

  • jinfo -flag +PrintGCDetails pid (开启PrintGCDetails参数)

  • jinfo -flag HeapDumpPath=/ pid (设置HeapDumpPath参数的值)

在我电脑上使用这个命令会报错,据说是macOS的一个bug,需要升级到jdk9,懒得升了。bug链接

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1.4 jmap – Memory Map For Java

作用:一个多功能的命令,它可以生成Java程序的dump文件,也可以查看堆内对象的信息、classloader的信息和finalizer队列。

命令格式:jmap [option]

参数解释

第一个参数:option

  • no option:查看进程的内存镜像信息。

  • -heap:显示Java堆详细信息。

  • -histo[:live]:显示堆中对象的统计信息。

  • -clstats:打印类加载器信息。

  • -finalizerinfo:显示在F-Queue队列等待Finalizer线程执行finaizer方法的对象。

  • -dump:

    :生成堆转储快照。

命令演示

  • jamp pid。打印出虚拟机加载的每个共享对象的起始地址、映射大小以及共享对象文件的路径全称。

  • jamp -heap pid。打印一个堆的摘要信息,包括使用的GC算法、堆配置信息和各内存区域内存使用信息。

  • jmap -histo:live pid。显示堆中对象的统计信息,包括每个Java类型,对象数量,内存大小(单位字节),完全限定的类名。打印的虚拟机内部的类名称将会带一个‘*’前缀。如果指定了live子选项,则只计算活动的对象。

  • jmap -clstats pid。打印Java堆内存的永久保存区域的类加载器的智能统计信息。对于每个类加载器而言,它的名称、活跃度、地址、父类加载器、它所加载的类的数量和大小都会打印。

  • jmap -finalizerinfo pid。打印等待终结的对象信息。Number of objects pending for finalization: 0说明没有等待终结的对象。

  • jamp -dump:live,format=b,file=./jmap.bin pid。以二进制格式转储java堆到指定路径下的filename文件中。指定了live子选项,则只会转储活动的对象。

在macOS上使用这个命令同样也会报错。但某些命令还是可以的,比如dump二进制文件。

1.5 jhat – JVM Heap Dump Browser

作用:与jmap搭配使用,用来分析jmap生成的堆转储文件。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,可以在浏览器中查看。

不过这个工具一般比较少使用,一是因为功能比较简陋,VisualVM和MAT等工具完全能够替代它。二是因为我们一般不会在生产服务器上直接去dump二进制文件,并且分析二进制文件是一个比较耗时的工作,所以就没必要使用命令行工具了。

命令格式:jhat [options] 堆转储文件

参数解释

第一个参数:option

  • [-stack

    ]:开关对象分配调用栈跟踪,如果分配位置信息在堆转储中不可用,则必须将此标志设置为false,默认为true。

  • [-refs

    ]:开关对象引用跟踪,默认为true。默认情况下,返回的指针是指向其他特定对象的对象。如果为false则会统计堆中所有对象。

  • [-port

    ]:设置jhat http server的端口号,默认为7000。

  • [-exclude

    ]:指定对象查询时需要排除的数据成员列表文件。例如,如果文件列出了java.lang.String.value,那么当从某个对象Object o计算可达的对象列表时,引用路径涉及java.lang.String.value的都会排除。

  • [-baseline

    ]:指定一个基准堆转储。在两个heap dumps中有相同object ID的对象会被标记为不是新的,其他对象会被标记为新的(new),在比较两个不同的堆转储时有用。

  • [-debug

    ]:设置debug级别,0表示不输出调试信息,值越大表示输出的调试信息越详细。[0, 1, 2]

  • [-version]:启动后只显示版本信息就退出。

第二个参数:堆转储文件。

命令演示

我们可以先生成一个二进制文件。

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然后使用jhat命令进行分析

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浏览器访问8888端口

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1.6 jstack – Stack Trace For Java

作用:查看或导出Java应用程序中线程堆栈信息。

线程快照是当前Java虚拟机内每一条线程正在执行的方法堆栈的集合。生成线程快照的主要目的是定位线程出现长时间停顿的原因,比如线程死锁、死循环、长时间等待外部资源等。线程出现停顿的时候通过jstack来查看各个线程的调用堆栈,就可以知道没有响应的线程到底在后台做什么事情,或者等待什么资源。如果Java程序崩溃生成core文件,jstack工具可以用来获得core文件的java stack和native stack的信息,从而轻松地知道Java程序是如何崩溃和在程序何处发生问题。另外jstack工具还可以附属到正在运行的java程序中,看到当时运行的java程序的java stack和native stack信息。

命令格式:jstack [options]

参数说明

第一个参数:options

  • -F:当线程挂起时,使用jstack -l pid请求不被响应时,强制输出线程堆栈。

  • -l:除堆栈外,显示关于锁的附加信息,比如ownable synchronizers。

  • -m:可以同时输出java以及C/C++的堆栈信息。

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");
    }

    // 测试死循环
    private static void test1() {
        while (true) {}
    }

    // 测试死锁
    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();
    }
}

测试死循环

启动程序后,top命令查看进程状态

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Linux系统中可以使用top -Hp 50242命令查看进程下的线程信息,但在macOS上不支持这个命令。我也没找到怎么查看macOS里进程下所有线程的方式==。

一般在Linux上的步骤就是下面这几步:

(1)top查看哪个进程cpu最高。

(2)top -Hp pid查看进程下面哪个线程cpu最高。

(3)jstack -l pid打印出进程的堆栈信息,然后将占有cpu最高的线程id转换为16进制,将这个16进制在堆栈信息中查询它的位置,一般都能定位到具体的代码位置。

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测试死锁

调用test2方法,然后启动程序,使用jstack -l pid命令能够打印出死锁信息。

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2、一些可视化分析工具

2.1 jConsole

使用jConsole可以查看程序的堆内存使用量、线程信息、CPU使用信息等。

在控制台输入jconsole命令,选择我们本地的程序

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进入后就能看到一些基本信息了

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在内存模块,我们可以查看新生代、老年代、元空间等区域的使用率

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在线程模块,我们能看到该进程下的所有线程,同时还能检测死锁

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在VM概要模块,则可以看到本机的一些JVM信息。

2.2 Visual VM

作用:是到目前为止随JDK发布的功能最强大的运行监视和故障处理程序。官方在VisualVM的软件说明中写上了“All-in-One”的描述,说明它除了运行监视、故障处理外,还提供了很多其他方面的功能。如性能分析,VisualVM的性能分析甚至比很多专业的收费工具都好用,而且VisualVM不需要被监视的程序基于特殊的运行,因此它对应用程序的实际性能的影响很小,使得它可以直接应用在生产环境中。

VisualVM基于NetBeans平台开发,因此它一开始就具备了插件扩展功能的特性,通过插件扩展支持,VisualVM可以做到:

  • 显示虚拟机进程以及进程的配置、环境信息(jps、jinfo)

  • 监视应用程序的CPU、GC、堆、方法区以及线程的信息(jstat、jstack)

  • dump以及分析堆转储快照(jmap、jhat)

  • 方法级的程序运行性能分析,找到被调用最多、运行时间最长的方法。

  • 离线程序快照:收集程序的运行时配置、线程dump、内存dump等信息建立一个快照。

  • 动态的安装plugins。

使用:在控制台输入jvisualvm执行即可。进入后主页还会有一些文档,十分贴心。

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在工具栏可以进行插件的安装

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可以看到左侧可以选择本地进程或者远程的进程,选择我们的目标程序,顶部有概述、监视、线程、抽样器、Profiler几个选项。

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监视页面和jconsole的也有点像,不过在visualvm中可以直接进行堆dump文件分析

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在线程页面,还可以检测程序的死锁,进行线程dump的分析

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还有很多的功能大家可以一一去看看。以前还不知道JDK自带了这么多性能分析利器啊,以后遇到一些性能问题可以尝试使用一下上面的工具,也不需要额外安装。

文章首发于我的公众号【秃头哥编程】,欢迎大家关注。

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