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现实企业级Java开发中,有时候我们会碰到下面这些问题:

  • OutOfMemoryError,内存不足

  • 内存泄露

  • 线程死锁

  • 锁争用(Lock Contention)

  • Java进程消耗CPU过高

  • ......

这些问题在日常开发中可能被很多人忽视(比如有的人遇到上面的问题只是重启服务器或者调大内存,而不会深究问题根源),但能够理解并解决这些问题是Java程序员进阶的必备要求。本文将对一些常用的JVM性能调优监控工具进行介绍,希望能起抛砖引玉之用。本文参考了网上很多资料,难以一一列举,在此对这些资料的作者表示感谢!关于JVM性能调优相关的资料,请参考文末。

A、 jps(Java Virtual Machine Process Status Tool)

jps主要用来输出JVM中运行的进程状态信息。语法格式如下:

jps [options] [hostid]

如果不指定hostid就默认为当前主机或服务器。

命令行参数选项说明如下:

-q 不输出类名、Jar名和传入main方法的参数
-m 输出传入main方法的参数
-l 输出main类或Jar的全限名
-v 输出传入JVM的参数

比如下面:

root@ubuntu:/# jps -m -l
2458 org.artifactory.standalone.main.Main /usr/local/artifactory-2.2.5/etc/jetty.xml
29920 com.sun.tools.hat.Main -port 9998 /tmp/dump.dat
3149 org.apache.catalina.startup.Bootstrap start
30972 sun.tools.jps.Jps -m -l
8247 org.apache.catalina.startup.Bootstrap start
25687 com.sun.tools.hat.Main -port 9999 dump.dat
21711 mrf-center.jar

B、 jstack

jstack主要用来查看某个Java进程内的线程堆栈信息。语法格式如下:

jstack [option] pid
jstack [option] executable core
jstack [option] [server-id@]remote-hostname-or-ip

命令行参数选项说明如下:


-l long listings,会打印出额外的锁信息,在发生死锁时可以用jstack -l pid来观察锁持有情况
-m mixed mode,不仅会输出Java堆栈信息,还会输出C/C++堆栈信息(比如Native方法)

jstack可以定位到线程堆栈,根据堆栈信息我们可以定位到具体代码,所以它在JVM性能调优中使用得非常多。下面我们来一个实例找出某个Java进程中最耗费CPU的Java线程并定位堆栈信息,用到的命令有ps、top、printf、jstack、grep。

第一步先找出Java进程ID,我部署在服务器上的Java应用名称为mrf-center:

root@ubuntu:/# ps -ef | grep mrf-center | grep -v grep
root 21711 1 1 14:47 pts/3 00:02:10 java -jar mrf-center.jar

得到进程ID为21711,第二步找出该进程内最耗费CPU的线程,可以使用 ps -Lfp pid 或者 ps -mp pid -o THREAD, tid, time 或者 top -Hp pid ,我这里用第三个,输出如下:

TIME列就是各个Java线程耗费的CPU时间,CPU时间最长的是线程ID为21742的线程,用

printf "%x\n" 21742

得到21742的十六进制值为54ee,下面会用到。

OK,下一步终于轮到jstack上场了,它用来输出进程21711的堆栈信息,然后根据线程ID的十六进制值grep,如下:

root@ubuntu:/# jstack 21711 | grep 54ee
"PollIntervalRetrySchedulerThread" prio=10 tid=0x00007f950043e000 nid=0x54ee in Object.wait() [0x00007f94c6eda000]

可以看到CPU消耗在PollIntervalRetrySchedulerThread这个类的Object.wait(),我找了下我的代码,定位到下面的代码:

// Idle wait
getLog().info("Thread [" + getName() + "] is idle waiting...");
schedulerThreadState = PollTaskSchedulerThreadState.IdleWaiting;
long now = System.currentTimeMillis();
long waitTime = now + getIdleWaitTime();
long timeUntilContinue = waitTime - now;
synchronized(sigLock) {
try {
if(!halted.get()) {
sigLock.wait(timeUntilContinue);
}
}
catch (InterruptedException ignore) {
}
}

它是轮询任务的空闲等待代码,上面的sigLock.wait(timeUntilContinue)就对应了前面的Object.wait()。

C、 jmap(Memory Map)和jhat(Java Heap Analysis Tool)

jmap用来查看堆内存使用状况,一般结合jhat使用。

jmap语法格式如下:

jmap [option] pid
jmap [option] executable core
jmap [option] [server-id@]remote-hostname-or-ip

如果运行在64位JVM上,可能需要指定-J-d64命令选项参数。

jmap -permstat pid

打印进程的类加载器和类加载器加载的持久代对象信息,输出:类加载器名称、对象是否存活(不可靠)、对象地址、父类加载器、已加载的类大小等信息,如下图:

使用jmap -heap pid查看进程堆内存使用情况,包括使用的GC算法、堆配置参数和各代中堆内存使用情况。比如下面的例子:

root@ubuntu:/# jmap -heap 21711
Attaching to process ID 21711, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 20.10-b01 using thread-local object allocation.
Parallel GC with 4 thread(s) Heap Configuration:
MinHeapFreeRatio = 40
MaxHeapFreeRatio = 70
MaxHeapSize = 2067791872 (1972.0MB)
NewSize = 1310720 (1.25MB)
MaxNewSize = 17592186044415 MB
OldSize = 5439488 (5.1875MB)
NewRatio = 2
SurvivorRatio = 8
PermSize = 21757952 (20.75MB)
MaxPermSize = 85983232 (82.0MB) Heap Usage:
PS Young Generation
Eden Space:
capacity = 6422528 (6.125MB)
used = 5445552 (5.1932830810546875MB)
free = 976976 (0.9317169189453125MB)
84.78829520089286% used
From Space:
capacity = 131072 (0.125MB)
used = 98304 (0.09375MB)
free = 32768 (0.03125MB)
75.0% used
To Space:
capacity = 131072 (0.125MB)
used = 0 (0.0MB)
free = 131072 (0.125MB)
0.0% used
PS Old Generation
capacity = 35258368 (33.625MB)
used = 4119544 (3.9287033081054688MB)
free = 31138824 (29.69629669189453MB)
11.683876009235595% used
PS Perm Generation
capacity = 52428800 (50.0MB)
used = 26075168 (24.867218017578125MB)
free = 26353632 (25.132781982421875MB)
49.73443603515625% used
....

使用jmap -histo[:live] pid查看堆内存中的对象数目、大小统计直方图,如果带上live则只统计活对象,如下:

root@ubuntu:/# jmap -histo:live 21711 | more

 num     #instances         #bytes  class name
----------------------------------------------
1: 38445 5597736 <constMethodKlass>
2: 38445 5237288 <methodKlass>
3: 3500 3749504 <constantPoolKlass>
4: 60858 3242600 <symbolKlass>
5: 3500 2715264 <instanceKlassKlass>
6: 2796 2131424 <constantPoolCacheKlass>
7: 5543 1317400 [I
8: 13714 1010768 [C
9: 4752 1003344 [B
10: 1225 639656 <methodDataKlass>
11: 14194 454208 java.lang.String
12: 3809 396136 java.lang.Class
13: 4979 311952 [S
14: 5598 287064 [[I
15: 3028 266464 java.lang.reflect.Method
16: 280 163520 <objArrayKlassKlass>
17: 4355 139360 java.util.HashMap$Entry
18: 1869 138568 [Ljava.util.HashMap$Entry;
19: 2443 97720 java.util.LinkedHashMap$Entry
20: 2072 82880 java.lang.ref.SoftReference
21: 1807 71528 [Ljava.lang.Object;
22: 2206 70592 java.lang.ref.WeakReference
23: 934 52304 java.util.LinkedHashMap
24: 871 48776 java.beans.MethodDescriptor
25: 1442 46144 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry
26: 804 38592 java.util.HashMap
27: 948 37920 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment
28: 1621 35696 [Ljava.lang.Class;
29: 1313 34880 [Ljava.lang.String;
30: 1396 33504 java.util.LinkedList$Entry
31: 462 33264 java.lang.reflect.Field
32: 1024 32768 java.util.Hashtable$Entry
33: 948 31440 [Ljava.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry;

class name是对象类型,说明如下:

B  byte
C char
D double
F float
I int
J long
Z boolean
[ 数组,如[I表示int[]
[L+类名 其他对象

还有一个很常用的情况是:用jmap把进程内存使用情况dump到文件中,再用jhat分析查看。jmap进行dump命令格式如下:

jmap -dump:format=b,file=dumpFileName pid

我一样地对上面进程ID为21711进行Dump:

root@ubuntu:/# jmap -dump:format=b,file=/tmp/dump.dat 21711
Dumping heap to /tmp/dump.dat ...
Heap dump file created

dump出来的文件可以用MAT、VisualVM等工具查看,这里用jhat查看:

root@ubuntu:/# jhat -port 9998 /tmp/dump.dat
Reading from /tmp/dump.dat...
Dump file created Tue Jan 28 17:46:14 CST 2014
Snapshot read, resolving...
Resolving 132207 objects...
Chasing references, expect 26 dots..........................
Eliminating duplicate references..........................
Snapshot resolved.
Started HTTP server on port 9998
Server is ready.

注意如果Dump文件太大,可能需要加上-J-Xmx512m这种参数指定最大堆内存,即jhat -J-Xmx512m -port 9998 /tmp/dump.dat。然后就可以在浏览器中输入主机地址:9998查看了:

上面红线框出来的部分大家可以自己去摸索下,最后一项支持OQL(对象查询语言)。

D、jstat(JVM统计监测工具)

语法格式如下:

jstat [ generalOption | outputOptions vmid [interval[s|ms] [count]] ]

vmid是Java虚拟机ID,在Linux/Unix系统上一般就是进程ID。interval是采样时间间隔。count是采样数目。比如下面输出的是GC信息,采样时间间隔为250ms,采样数为4:

root@ubuntu:/# jstat -gc 21711 250 4
S0C S1C S0U S1U EC EU OC OU PC PU YGC YGCT FGC FGCT GCT
192.0 192.0 64.0 0.0 6144.0 1854.9 32000.0 4111.6 55296.0 25472.7 702 0.431 3 0.218 0.649
192.0 192.0 64.0 0.0 6144.0 1972.2 32000.0 4111.6 55296.0 25472.7 702 0.431 3 0.218 0.649
192.0 192.0 64.0 0.0 6144.0 1972.2 32000.0 4111.6 55296.0 25472.7 702 0.431 3 0.218 0.649
192.0 192.0 64.0 0.0 6144.0 2109.7 32000.0 4111.6 55296.0 25472.7 702 0.431 3 0.218 0.649

要明白上面各列的意义,先看JVM堆内存布局:

可以看出:

堆内存 = 年轻代 + 年老代 + 永久代
年轻代 = Eden区 + 两个Survivor区(From和To)

现在来解释各列含义:

S0C、S1C、S0U、S1U:Survivor 0/1区容量(Capacity)和使用量(Used)
EC、EU:Eden区容量和使用量
OC、OU:年老代容量和使用量
PC、PU:永久代容量和使用量
YGC、YGT:年轻代GC次数和GC耗时
FGC、FGCT:Full GC次数和Full GC耗时
GCT:GC总耗时

E、hprof(Heap/CPU Profiling Tool)

hprof能够展现CPU使用率,统计堆内存使用情况。

语法格式如下:

java -agentlib:hprof[=options] ToBeProfiledClass
java -Xrunprof[:options] ToBeProfiledClass
javac -J-agentlib:hprof[=options] ToBeProfiledClass

完整的命令选项如下:

Option Name and Value  Description                    Default
--------------------- ----------- -------
heap=dump|sites|all heap profiling all
cpu=samples|times|old CPU usage off
monitor=y|n monitor contention n
format=a|b text(txt) or binary output a
file=<file> write data to file java.hprof[.txt]
net=<host>:<port> send data over a socket off
depth=<size> stack trace depth 4
interval=<ms> sample interval in ms 10
cutoff=<value> output cutoff point 0.0001
lineno=y|n line number in traces? y
thread=y|n thread in traces? n
doe=y|n dump on exit? y
msa=y|n Solaris micro state accounting n
force=y|n force output to <file> y
verbose=y|n print messages about dumps y

来几个官方指南上的实例。

CPU Usage Sampling Profiling(cpu=samples)的例子:

java -agentlib:hprof=cpu=samples,interval=20,depth=3 Hello

上面每隔20毫秒采样CPU消耗信息,堆栈深度为3,生成的profile文件名称是java.hprof.txt,在当前目录。

CPU Usage Times Profiling(cpu=times)的例子,它相对于CPU Usage Sampling Profile能够获得更加细粒度的CPU消耗信息,能够细到每个方法调用的开始和结束,它的实现使用了字节码注入技术(BCI):

javac -J-agentlib:hprof=cpu=times Hello.java

Heap Allocation Profiling(heap=sites)的例子:

javac -J-agentlib:hprof=heap=sites Hello.java

Heap Dump(heap=dump)的例子,它比上面的Heap Allocation Profiling能生成更详细的Heap Dump信息:

javac -J-agentlib:hprof=heap=dump Hello.java

虽然在JVM启动参数中加入-Xrunprof:heap=sites参数可以生成CPU/Heap Profile文件,但对JVM性能影响非常大,不建议在线上服务器环境使用。

其他JVM性能调优参考资料:

《Java虚拟机规范》

《Java Performance》

《Trouble Shooting Guide for JavaSE 6 with HotSpot VM》: http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tsg-vm-149989.pdf

《Effective Java》

VisualVM: http://docs.oracle.com/javase/7/docs/technotes/guides/visualvm/

jConsole: http://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/management/jconsole.html

Monitoring and Managing JavaSE 6 Applications: http://www.oracle.com/technetwork/articles/javase/monitoring-141801.html

BTrace:https://kenai.com/projects/btrace

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