一些JDK自帶的性能分析利器

有時候碰到服務器CPU飆升或者程序卡死之類的問題，一般都不太好定位。這類bug一般都隱藏的比較深並且還可能是偶發性的，比較棘手。

對於此類問題，一般我們都有固定的分析流程。藉助於JDK自帶的一些分析工具，比如jstack、jmap、jstat一類的命令行工具，除此之外，還有jconsole、mat、jvisualvm這些圖形界面分析工具。

這篇文章基於JDK8，操作系統是macOS 12.0.1

1、一些命令行分析工具

這些命令行分析工具都在jdk/bin目錄下

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解壓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：列出正在運行的虛擬機進程，並顯示虛擬機執行主類名稱以及這些進程的本地虛擬機唯一ID。

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第一個參數說明：

  • -q：默認攜帶的參數，顯示進程ID。

  • -m：顯示進程ID，主類名稱，以及傳入main方法的參數。

  • -l：顯示進程ID，主類全名。

  • -v：顯示進程ID，主類名稱，以及傳入JVM的參數。

  • -V：顯示進程ID，主類名稱。

[-mlvV]可以任意組合使用。

第二個參數說明：

  • hostid：服務器的ip地址。不指定的情況下，默認為當前服務器。如果要查看其他機器上的JVM進程，需要在待查看機器上啟動jstatd。

1.2 jstat – JVM Statistics Monitoring Tool

作用：監視虛擬機各種運行狀態信息，可以顯示本地或者遠程虛擬機進程中的類裝載、內存、垃圾收集、JIT編譯等運行數據。

命令格式：jstat –

參數說明：

第一個參數：option，代表用戶希望查詢的虛擬機信息，主要分為3類：類裝載、垃圾收集和運行期編譯情況。具體選項如下：

  • -class：顯示有關類加載器行為的統計信息。

  • -compiler：顯示有關java hotspot vm即時編譯器行為的統計信息。

  • -gc：顯示有關垃圾收集堆行為的統計信息。

  • -gccapacity：顯示有關各個垃圾回收代容量及其相應容量的統計信息。

  • -gccause：顯示有關垃圾收集統計信息（同-gcutil），以及上一次和當前垃圾收集事件的原因。

  • -gcnew：顯示新生代行為的統計信息。

  • -gcnewcapacity：顯示有關新生代大小及其相應空間的統計信息。

  • -gcold：顯示老年代行為的統計信息和元空間統計信息。

  • -gcoldcapacity：顯示有關老年代大小的統計信息。

  • -gcmetacapacity：顯示有關元空間大小的統計信息。

  • -gcutil：顯示有關垃圾收集統計信息。

  • -printcompilation：顯示java hotspot vm編譯方法統計信息。

第二個參數：vmid。如果是本地虛擬機進程，那麼vmid和本地虛擬機唯一ID是一致的。如果是遠程虛擬機進程，那麼vmid的格式是：protocol:lvmid[@hostname[:port]/servername]

第三個參數：interval。採樣間隔，單位為s或ms，默認單位是ms，必須為整數。指定該參數，jstat命令將在每個間隔產生輸出。

第四個參數：count。要顯示的樣本數。

import java.io.IOException;

/**
 * -class:
 *  Loaded：已加載的類數量。
 *  Bytes：已加載的kb數。
 *  Unloaded：卸載的類數量。
 *  Bytes：卸載的kb數。
 *  Time：執行類加載和卸載的耗時。
 *
 * -compiler：
 *  Compiled：執行的編譯任務數。
 *  Failed：編譯失敗的任務數。
 *  Invalid：無效的編譯任務數。
 *  Time：執行編譯任務所花費的時間。
 *  FailedType：失敗的編譯類型。
 *  FailedMethod：失敗的編譯類名和方法。
 */
public class Demo1_jstat {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        System.out.println("jstat");
        System.in.read();
    }
}

啟動上面的demo後

import java.io.IOException;

/**
 * -gc: 垃圾收集的堆統計信息
 *  S0C：s0區的容量（kb）
 *  S1C：s1區的容量（kb）
 *  S0U：s0區的使用大小（kb）
 *  S1U：s1區的使用大學（kb）
 *  EC：eden區的容量（kb）
 *  EU：eden區的使用大小（kb）
 *  OC：老年代容量（kb）
 *  OU：老年代的使用大小（kb）
 *  MC：元空間的容量（kb）
 *  MU：元空間的使用大小（kb）
 *  CCSC：壓縮的類空間容量（kb）
 *  CCSU：使用的壓縮類空間大小（kb）
 *  YGC：新生代垃圾收集次數
 *  YGCT：新生代垃圾回收時間
 *  FGC：full gc收集次數
 *  FGCT：full gc垃圾回收時間
 *  GCT：總垃圾收集時間
 *
 * -gcutil：垃圾收集統計信息
 *  S0：s0區的使用率
 *  S1：s1區的使用率
 *  E：eden區使用率
 *  O：老年代使用率
 *  M：元空間使用率
 *  CCS：壓縮類空間使用率
 *  YGC：新生代gc次數
 *  YGCT：新生代gc耗費時間
 *  FGC：full gc次數
 *  FGCT：full gc耗費時間
 *  GCT：總垃圾收集時間
 */
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;
        // 申請2M的空間
        byte[] b1 = new byte[2 * _1MB];
        System.out.println("1111");
        System.in.read();

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

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

啟動上面的程序之前，先指定一些jvm參數

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

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然後啟動demo

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剛啟動時，程序會申請2M的數組，可以看到eden區的使用率是62.37%，ygc的值為0。

讓程序申請第二個2M的數組，之後再查看堆內存信息

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可以發現eden區的使用率達到了87.37%。

讓程序申請第三個2M的數組，發現控制台輸出提示

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再查看堆內存信息

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發現eden區的使用率降到了26.71，s1區使用率時70.80%，老年代的使用率是40%即4096kb也就是4M空間大小。同時ygc的次數是1，說明進行了一次ygc，並且把大對象放進了老年代中。

1.3 jinfo – Configuration Info For Java

作用：實時的查看和調整虛擬機各項參數。

命令格式：jinfo [option]

參數說明：

第一個參數：option。

  • no options：輸出全部的參數和系統屬性。

  • -flag name：輸出對應名稱的參數。

  • -flag [+ | -] name：開啟或者關閉對應名稱的參數。

  • -flag name=value：設置對於名稱參數的參數值。

  • -flags：輸出全部的參數。

  • -sysprops：輸出全部的系統屬性。

命令演示：

  • jinfo pid

  • jinfo -flag PrintGCDetails pid （輸出PrintGCDetails參數的值）

  • jinfo -flag +PrintGCDetails pid （開啟PrintGCDetails參數）

  • jinfo -flag HeapDumpPath=/ pid （設置HeapDumpPath參數的值）

在我電腦上使用這個命令會報錯，據說是macOS的一個bug，需要升級到jdk9，懶得升了。bug鏈接

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1.4 jmap – Memory Map For Java

作用：一個多功能的命令，它可以生成Java程序的dump文件，也可以查看堆內對象的信息、classloader的信息和finalizer隊列。

命令格式：jmap [option]

參數解釋：

第一個參數：option

  • no option：查看進程的內存鏡像信息。

  • -heap：顯示Java堆詳細信息。

  • -histo[:live]：顯示堆中對象的統計信息。

  • -clstats：打印類加載器信息。

  • -finalizerinfo：顯示在F-Queue隊列等待Finalizer線程執行finaizer方法的對象。

  • -dump:：生成堆轉儲快照。

命令演示：

  • jamp pid。打印出虛擬機加載的每個共享對象的起始地址、映射大小以及共享對象文件的路徑全稱。

  • jamp -heap pid。打印一個堆的摘要信息，包括使用的GC算法、堆配置信息和各內存區域內存使用信息。

  • jmap -histo:live pid。顯示堆中對象的統計信息，包括每個Java類型，對象數量，內存大小（單位位元組），完全限定的類名。打印的虛擬機內部的類名稱將會帶一個『*』前綴。如果指定了live子選項，則只計算活動的對象。

  • jmap -clstats pid。打印Java堆內存的永久保存區域的類加載器的智能統計信息。對於每個類加載器而言，它的名稱、活躍度、地址、父類加載器、它所加載的類的數量和大小都會打印。

  • jmap -finalizerinfo pid。打印等待終結的對象信息。Number of objects pending for finalization: 0說明沒有等待終結的對象。

  • jamp -dump:live,format=b,file=./jmap.bin pid。以二進制格式轉儲java堆到指定路徑下的filename文件中。指定了live子選項，則只會轉儲活動的對象。

在macOS上使用這個命令同樣也會報錯。但某些命令還是可以的，比如dump二進制文件。

1.5 jhat – JVM Heap Dump Browser

作用：與jmap搭配使用，用來分析jmap生成的堆轉儲文件。jhat內置了一個微型的http/html服務器，生成dump文件的分析結果後，可以在瀏覽器中查看。

不過這個工具一般比較少使用，一是因為功能比較簡陋，VisualVM和MAT等工具完全能夠替代它。二是因為我們一般不會在生產服務器上直接去dump二進制文件，並且分析二進制文件是一個比較耗時的工作，所以就沒必要使用命令行工具了。

命令格式：jhat [options] 堆轉儲文件

參數解釋：

第一個參數：option

  • [-stack ]：開關對象分配調用棧跟蹤，如果分配位置信息在堆轉儲中不可用，則必須將此標誌設置為false，默認為true。

  • [-refs ]：開關對象引用跟蹤，默認為true。默認情況下，返回的指針是指向其他特定對象的對象。如果為false則會統計堆中所有對象。

  • [-port ]：設置jhat http server的端口號，默認為7000。

  • [-exclude ]：指定對象查詢時需要排除的數據成員列表文件。例如，如果文件列出了java.lang.String.value，那麼當從某個對象Object o計算可達的對象列表時，引用路徑涉及java.lang.String.value的都會排除。

  • [-baseline ]：指定一個基準堆轉儲。在兩個heap dumps中有相同object ID的對象會被標記為不是新的，其他對象會被標記為新的（new），在比較兩個不同的堆轉儲時有用。

  • [-debug ]：設置debug級別，0表示不輸出調試信息，值越大表示輸出的調試信息越詳細。[0, 1, 2]

  • [-version]：啟動後只顯示版本信息就退出。

第二個參數：堆轉儲文件。

命令演示：

我們可以先生成一個二進制文件。

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然後使用jhat命令進行分析

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瀏覽器訪問8888端口

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1.6 jstack – Stack Trace For Java

作用：查看或導出Java應用程序中線程堆棧信息。

線程快照是當前Java虛擬機內每一條線程正在執行的方法堆棧的集合。生成線程快照的主要目的是定位線程出現長時間停頓的原因，比如線程死鎖、死循環、長時間等待外部資源等。線程出現停頓的時候通過jstack來查看各個線程的調用堆棧，就可以知道沒有響應的線程到底在後台做什麼事情，或者等待什麼資源。如果Java程序崩潰生成core文件，jstack工具可以用來獲得core文件的java stack和native stack的信息，從而輕鬆地知道Java程序是如何崩潰和在程序何處發生問題。另外jstack工具還可以附屬到正在運行的java程序中，看到當時運行的java程序的java stack和native stack信息。

命令格式：jstack [options]

參數說明：

第一個參數：options

  • -F：當線程掛起時，使用jstack -l pid請求不被響應時，強制輸出線程堆棧。

  • -l：除堆棧外，顯示關於鎖的附加信息，比如ownable synchronizers。

  • -m：可以同時輸出java以及C/C++的堆棧信息。

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");
    }

    // 測試死循環
    private static void test1() {
        while (true) {}
    }

    // 測試死鎖
    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();
    }
}

測試死循環

啟動程序後，top命令查看進程狀態

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Linux系統中可以使用top -Hp 50242命令查看進程下的線程信息，但在macOS上不支持這個命令。我也沒找到怎麼查看macOS里進程下所有線程的方式==。

一般在Linux上的步驟就是下面這幾步：

（1）top查看哪個進程cpu最高。

（2）top -Hp pid查看進程下面哪個線程cpu最高。

（3）jstack -l pid打印出進程的堆棧信息，然後將佔有cpu最高的線程id轉換為16進制，將這個16進制在堆棧信息中查詢它的位置，一般都能定位到具體的代碼位置。

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測試死鎖

調用test2方法，然後啟動程序，使用jstack -l pid命令能夠打印出死鎖信息。

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2、一些可視化分析工具

2.1 jConsole

使用jConsole可以查看程序的堆內存使用量、線程信息、CPU使用信息等。

在控制台輸入jconsole命令，選擇我們本地的程序

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進入後就能看到一些基本信息了

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在內存模塊，我們可以查看新生代、老年代、元空間等區域的使用率

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在線程模塊，我們能看到該進程下的所有線程，同時還能檢測死鎖

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在VM概要模塊，則可以看到本機的一些JVM信息。

2.2 Visual VM

作用：是到目前為止隨JDK發佈的功能最強大的運行監視和故障處理程序。官方在VisualVM的軟件說明中寫上了「All-in-One」的描述，說明它除了運行監視、故障處理外，還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專業的收費工具都好用，而且VisualVM不需要被監視的程序基於特殊的運行，因此它對應用程序的實際性能的影響很小，使得它可以直接應用在生產環境中。

VisualVM基於NetBeans平台開發，因此它一開始就具備了插件擴展功能的特性，通過插件擴展支持，VisualVM可以做到：

  • 顯示虛擬機進程以及進程的配置、環境信息（jps、jinfo）

  • 監視應用程序的CPU、GC、堆、方法區以及線程的信息（jstat、jstack）

  • dump以及分析堆轉儲快照（jmap、jhat）

  • 方法級的程序運行性能分析，找到被調用最多、運行時間最長的方法。

  • 離線程序快照：收集程序的運行時配置、線程dump、內存dump等信息建立一個快照。

  • 動態的安裝plugins。

使用：在控制台輸入jvisualvm執行即可。進入後主頁還會有一些文檔，十分貼心。

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在工具欄可以進行插件的安裝

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可以看到左側可以選擇本地進程或者遠程的進程，選擇我們的目標程序，頂部有概述、監視、線程、抽樣器、Profiler幾個選項。

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監視頁面和jconsole的也有點像，不過在visualvm中可以直接進行堆dump文件分析

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在線程頁面，還可以檢測程序的死鎖，進行線程dump的分析

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還有很多的功能大家可以一一去看看。以前還不知道JDK自帶了這麼多性能分析利器啊，以後遇到一些性能問題可以嘗試使用一下上面的工具，也不需要額外安裝。

文章首發於我的公眾號【禿頭哥編程】，歡迎大家關注。

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