Java虚拟机的监控及诊断工具整理

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2022-11-27 00:38 242阅读 0赞

## Java虚拟机的监控及诊断工具 ##

相关的监控、诊断工具包括：

*  ###### `jps` ######
 *  ###### `jstat` ######
 *  ###### `jmap` ######
 *  ###### `jinfo` ######
 *  ###### `jstack` ######
 *  ###### `jcmd` ######

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## jps ##

在默认情况下，jps的输出信息包括 Java 进程的进程 ID 以及主类名。我们还可以通过追加参数，来打印额外的信息。例如，-l将打印模块名以及包名；`-v`将打印传递给 Java 虚拟机的参数（如`-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseZGC`）；`-m`将打印传递给主类的参数。

$ jps -mlv
    18331 org.example.Foo Hello World
    18332 jdk.jcmd/sun.tools.jps.Jps -mlv -Dapplication.home=/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk-11.jdk/Contents/Home -Xms8m -Djdk.module.main=jdk.jcmd

需要注意的是，如果某 Java 进程关闭了默认开启的`UsePerfData`参数（即使用参数`-XX:-UsePerfData`），那么`jps`命令（以及下面介绍的`jstat`）将无法探知该 Java 进程。当获得 Java 进程的进程 `PID` 之后，我们便可以调用接下来介绍的各项监控及诊断工具了。

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## jstat ##

jstat命令可用来打印目标 Java 进程的性能数据。  
它包括多条子命令，如下所示：

$ jstat -options
    -class
    -compiler
    -gc
    -gccapacity
    -gccause
    -gcmetacapacity
    -gcnew
    -gcnewcapacity
    -gcold
    -gcoldcapacity
    -gcutil
    -printcompilation

在这些子命令中，-class将打印类加载相关的数据，`-compiler`和`-printcompilation`将打印即时编译相关的数据。剩下的都是以`-gc`为前缀的子命令，它们将打印垃圾回收相关的数据。

默认情况下，`jstat`只会打印一次性能数据。我们可以将它配置为`每隔一段时间打印一次，直至目标 Java 进程终止`，或者达到我们所配置的最大打印次数。具体示例如下所示：

# Usage: jstat -outputOptions [-t] [-hlines] VMID [interval [count]]
    $ jstat -gc 22126 1s 4
    S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       MC     MU    CCSC   CCSU   YGC     YGCT    FGC    FGCT    CGC    CGCT     GCT   
    17472,0 17472,0  0,0    0,0   139904,0 47146,4   349568,0   21321,0   30020,0 28001,8 4864,0 4673,4     22    0,080   3      0,270   0      0,000    0,350
    17472,0 17472,0 420,6   0,0   139904,0 11178,4   349568,0   21321,0   30020,0 28090,1 4864,0 4674,2     28    0,084   3      0,270   0      0,000    0,354
    17472,0 17472,0  0,0   403,9  139904,0 139538,4  349568,0   21323,4   30020,0 28137,2 4864,0 4674,2     34    0,088   4      0,359   0      0,000    0,446
    17472,0 17472,0  0,0    0,0   139904,0   0,0     349568,0   21326,1   30020,0 28093,6 4864,0 4673,4     38    0,091   5      0,445   0      0,000    0,536

在上面这个示例中，22126 进程是一个使用了 CMS 垃圾回收器的 Java 进程。我们利用jstat的-gc子命令，来打印该进程垃圾回收相关的数据。

命令最后的`1s 4表示每隔 1 秒打印一次，共打印 4 次`。在-gc子命令的输出中，前四列分别为两个 `Survivor` 区的容量（Capacity）和已使用量（Utility）。

我们可以看到，这两个 Survivor 区的容量相等，而且始终有一个 Survivor 区的内存使用量为 0。

当使用默认的 G1 GC 时，输出结果则有另一些特征：

$ jstat -gc 22208 1s
    S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       MC     MU    CCSC   CCSU   YGC     YGCT    FGC    FGCT    CGC    CGCT     GCT   
    0,0   16384,0  0,0   16384,0 210944,0 192512,0  133120,0    5332,5   28848,0 26886,4 4864,0 4620,5     19    0,067   1      0,016   2      0,002    0,084
    0,0   16384,0  0,0   16384,0 210944,0 83968,0   133120,0    5749,9   29104,0 27132,8 4864,0 4621,0     21    0,078   1      0,016   2      0,002    0,095
    0,0    0,0    0,0    0,0   71680,0  18432,0   45056,0    20285,1   29872,0 27952,4 4864,0 4671,6     23    0,089   2      0,063   2      0,002    0,153
    0,0   2048,0  0,0   2048,0 69632,0  28672,0   45056,0    18608,1   30128,0 28030,4 4864,0 4672,4     32    0,093   2      0,063   2      0,002    0,158
    ...

在上面这个示例中，jstat每隔 1s 便会打印垃圾回收的信息，并且不断重复下去。你可能已经留意到，S0C和S0U始终为 0，而且另一个 Survivor 区的容量（S1C）可能会下降至 0。

这是因为，当使用 G1 GC 时，Java 虚拟机不再设置 `Eden` 区、`Survivor` 区，`老年代区`的内存边界，而是将堆划分为若干个等长内存区域。每个内存区域都可以作为 Eden 区、Survivor 区以及老年代区中的任一种，并且可以在不同区域类型之间来回切换。

换句话说，逻辑上我们只有一个 Survivor 区。当需要迁移 Survivor 区中的数据时（即 Copying GC），我们只需另外申请一个或多个内存区域，作为新的 Survivor 区。

因此，Java 虚拟机决定在使用 G1 GC 时，将所有 Survivor 内存区域的总容量以及已使用量存放至 S1C 和 S1U 中，而 S0C 和 S0U 则被设置为 0。

jstat还有一个非常有用的参数`-t`，它将在每行数据之前打印目标 Java 进程的启动时间。例如，在下面这个示例中，第一列代表该 Java 进程已经启动了 10.7 秒。

$ jstat -gc -t 22407
    Timestamp        S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       MC     MU    CCSC   CCSU   YGC     YGCT    FGC    FGCT    CGC    CGCT     GCT   
        10,7         0,0    0,0    0,0    0,0   55296,0  45056,0   34816,0    20267,8   30128,0 27975,3 4864,0 4671,6     33    0,086   3      0,111   2      0,001    0,198

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。

`jstat`还可以用来判断是否出现**内存泄漏**。在长时间运行的 Java 程序中，我们可以运行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`。然后，我们每隔一段较长的时间重复一次上述操作，来获得多组 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。**

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## jmap ##

在出现类似内存泄漏等问题时，我们便可以请 `jmap` 命令出马，分析 Java 虚拟机堆中的对象。

###### jmap子命令: ######

-clstats，该子命令将打印被加载类的信息。
    -finalizerinfo，该子命令将打印所有待 finalize 的对象。
    -histo，该子命令将统计各个类的实例数目以及占用内存，并按照内存使用量从多至少的顺序排列。此外，-histo:live只统计堆中的存活对象。
    -dump，该子命令将导出 Java 虚拟机堆的快照。同样，-dump:live只保存堆中的存活对象。

我们通常会利用 `jmap -dump:live,format=b,file=xxx.dump <PID>` 命令，将堆中所有存活对象导出至一个文件之中。  
这里`format=b`将使`jmap`导出与`hprof`（在 Java 9 中已被移除）、`-XX:+HeapDumpAfterFullGC`、`-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError`格式一致的文件。这种格式的文件可以被其他 GUI 工具查看（如**eclipse MAT**）。

实例：

$ jmap -histo 22574
     num     #instances #bytes class name (module)
    -------------------------------------------------------
       1:        500004       20000160  org.python.core.PyComplex
       2:        570866       18267712  org.python.core.PyFloat
       3:        360295       18027024  [B (java.base@11)
       4:        339394       11429680  [Lorg.python.core.PyObject;
       5:        308637       11194264  [Ljava.lang.Object; (java.base@11)
       6:        301378        9291664  [I (java.base@11)
       7:        225103        9004120  java.math.BigInteger (java.base@11)
       8:        507362        8117792  org.python.core.PySequence$1
       9:        285009        6840216  org.python.core.PyLong
      10:        282908        6789792  java.lang.String (java.base@11)
      ...
    2281:             1             16  traceback$py
    2282:             1             16  unicodedata$py
    Total       5151277      167944400

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，让所有线程停留在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。这可能导致基于该堆快照的分析结果存在偏差。  
举个例子，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将一直等下去。

###### `备注说明`: ######

`jmap、jinfo、jstack和jcmd`依赖于 Java 虚拟机的Attach API，因此只能监控本地 Java 进程。  
一旦开启 Java 虚拟机参数 `DisableAttachMechanism`（即使用参数`-XX:+DisableAttachMechanism`），基于 Attach API 的命令将无法执行。反过来说，如果你不想被其他进程监控，那么你需要开启该参数。

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## jinfo ##

jinfo命令可用来查看目标 Java **进程的参数**，如传递给 Java 虚拟机的 `-X`（即输出中的 jvm\_args）、`-XX`参数（即输出中的 VM Flags），以及可在 Java 层面通过`System.getProperty`获取的`-D`参数（即输出中的 `System Properties`）。  
具体的示例如下所示：

$ jinfo 31185
    Java System Properties:
    
    gopherProxySet=false
    awt.toolkit=sun.lwawt.macosx.LWCToolkit
    java.specification.version=11
    sun.cpu.isalist=
    sun.jnu.encoding=UTF-8
    ...
    
    VM Flags:
    -XX:CICompilerCount=4 -XX:ConcGCThreads=3 -XX:G1ConcRefinementThreads=10 -XX:G1HeapRegionSize=2097152 -XX:GCDrainStackTargetSize=64 -XX:InitialHeapSize=536870912 -XX:MarkStackSize=4194304 -XX:MaxHeapSize=8589934592 -XX:MaxNewSize=5152702464 -XX:MinHeapDeltaBytes=2097152 -XX:NonNMethodCodeHeapSize=5835340 -XX:NonProfiledCodeHeapSize=122911450 -XX:ProfiledCodeHeapSize=122911450 -XX:ReservedCodeCacheSize=251658240 -XX:+SegmentedCodeCache -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops -XX:+UseG1GC
    
    VM Arguments:
    jvm_args: -Xlog:gc -Xmx1024m
    java_command: org.example.Foo
    java_class_path (initial): .
    Launcher Type: SUN_STANDARD

`jinfo`还可以用来修改目标 Java 进程的`“manageable”`虚拟机参数。  
举个例子，我们可以使用`jinfo -flag +HeapDumpAfterFullGC <PID>`命令，开启所指定的 Java 进程的`HeapDumpAfterFullGC`参数，这个功能还是相当好用的。

通过下述命令查看其他 “manageable” 虚拟机参数：

$ java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep manageable   
         intx CMSAbortablePrecleanWaitMillis           = 100                                    {manageable} {default}
         intx CMSTriggerInterval                       = -1                                     {manageable} {default}
         intx CMSWaitDuration                          = 2000                                   {manageable} {default}
         bool HeapDumpAfterFullGC                      = false                                  {manageable} {default}
         bool HeapDumpBeforeFullGC                     = false                                  {manageable} {default}
         bool HeapDumpOnOutOfMemoryError               = false                                  {manageable} {default}
        ccstr HeapDumpPath                             =                                        {manageable} {default}
        uintx MaxHeapFreeRatio                         = 70                                     {manageable} {default}
        uintx MinHeapFreeRatio                         = 40                                     {manageable} {default}
         bool PrintClassHistogram                      = false                                  {manageable} {default}
         bool PrintConcurrentLocks                     = false                                  {manageable} {default}
    java version "11" 2018-09-25
    Java(TM) SE Runtime Environment 18.9 (build 11+28)
    Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM 18.9 (build 11+28, mixed mode)

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## jstack ##

`jstack`命令可以用来打印目标 Java 进程中各个线程的栈轨迹，以及这些线程所持有的锁（可以很好的用来追踪死锁等问题）。  
jstack的其中一个应用场景便是**死锁检测**。这里我用 `jstack` 获取一个已经死锁了的 Java 程序的栈信息。具体输出如下所示：

$ jstack 31634
    ...
    
    "Thread-0" #12 prio=5 os_prio=31 cpu=1.32ms elapsed=34.24s tid=0x00007fb08601c800 nid=0x5d03 waiting for monitor entry  [0x000070000bc7e000]
       java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
     at DeadLock.foo(DeadLock.java:18)
     - waiting to lock <0x000000061ff904c0> (a java.lang.Object)
     - locked <0x000000061ff904b0> (a java.lang.Object)
     at DeadLock$$Lambda$1/0x0000000800060840.run(Unknown Source)
     at java.lang.Thread.run(java.base@11/Thread.java:834)
    
    "Thread-1" #13 prio=5 os_prio=31 cpu=1.43ms elapsed=34.24s tid=0x00007fb08601f800 nid=0x5f03 waiting for monitor entry  [0x000070000bd81000]
       java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
     at DeadLock.bar(DeadLock.java:33)
     - waiting to lock <0x000000061ff904b0> (a java.lang.Object)
     - locked <0x000000061ff904c0> (a java.lang.Object)
     at DeadLock$$Lambda$2/0x0000000800063040.run(Unknown Source)
     at java.lang.Thread.run(java.base@11/Thread.java:834)
    
    ...
    
    JNI global refs: 6, weak refs: 0
    
    
    Found one Java-level deadlock:
    =============================
    "Thread-0":
      waiting to lock monitor 0x00007fb083015900 (object 0x000000061ff904c0, a java.lang.Object),
      which is held by "Thread-1"
    "Thread-1":
      waiting to lock monitor 0x00007fb083015800 (object 0x000000061ff904b0, a java.lang.Object),
      which is held by "Thread-0"
    
    Java stack information for the threads listed above:
    ===================================================
    "Thread-0":
     at DeadLock.foo(DeadLock.java:18)
     - waiting to lock <0x000000061ff904c0> (a java.lang.Object)
     - locked <0x000000061ff904b0> (a java.lang.Object)
     at DeadLock$$Lambda$1/0x0000000800060840.run(Unknown Source)
     at java.lang.Thread.run(java.base@11/Thread.java:834)
    "Thread-1":
     at DeadLock.bar(DeadLock.java:33)
     - waiting to lock <0x000000061ff904b0> (a java.lang.Object)
     - locked <0x000000061ff904c0> (a java.lang.Object)
     at DeadLock$$Lambda$2/0x0000000800063040.run(Unknown Source)
     at java.lang.Thread.run(java.base@11/Thread.java:834)
    
    Found 1 deadlock.

我们可以看到，jstack不仅会打印线程的栈轨迹、线程状态（BLOCKED）、持有的锁（locked …）以及正在请求的锁（waiting to lock …），而且还会分析出具体的死锁。

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## jcmd ##

你还可以直接使用`jcmd`命令，来替代前面除了`jstat`之外的所有命令。具体的替换规则你可以参考下表。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 <PID> Compiler.CodeHeap_Analytics
    jcmd <PID> Compiler.codecache
    jcmd <PID> Compiler.codelist
    jcmd <PID> Compiler.directives_add
    jcmd <PID> Compiler.directives_clear
    jcmd <PID> Compiler.directives_print
    jcmd <PID> Compiler.directives_remove
    jcmd <PID> Compiler.queue
    jcmd <PID> GC.class_histogram
    jcmd <PID> GC.class_stats
    jcmd <PID> GC.finalizer_info
    jcmd <PID> GC.heap_dump
    jcmd <PID> GC.heap_info
    jcmd <PID> GC.run
    jcmd <PID> GC.run_finalization
    jcmd <PID> VM.class_hierarchy
    jcmd <PID> VM.classloader_stats
    jcmd <PID> VM.classloaders
    jcmd <PID> VM.command_line
    jcmd <PID> VM.dynlibs
    jcmd <PID> VM.flags
    jcmd <PID> VM.info
    jcmd <PID> VM.log
    jcmd <PID> VM.metaspace
    jcmd <PID> VM.native_memory
    jcmd <PID> VM.print_touched_methods
    jcmd <PID> VM.set_flag
    jcmd <PID> VM.stringtable
    jcmd <PID> VM.symboltable
    jcmd <PID> VM.system_properties
    jcmd <PID> VM.systemdictionary
    jcmd <PID> VM.unlock_commercial_features
    jcmd <PID> VM.uptime
    jcmd <PID> VM.version

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## 总结： ##

*  ###### `jps`将打印所有正在运行的 Java 进程。 ######
 *  ###### `jstat`允许用户查看目标 Java 进程的类加载、即时编译以及垃圾回收相关的信息。它常用于检测垃圾回收问题以及内存泄漏问题。 ######
 *  ###### `jmap`允许用户统计目标 Java 进程的堆中存放的 Java 对象，并将它们导出成二进制文件。 ######
 *  ###### `jinfo`将打印目标 Java 进程的配置参数，并能够改动其中 manageabe 的参数。 ######
 *  ###### `jstack`将打印目标 Java 进程中各个线程的栈轨迹、线程状态、锁状况等信息。它还将自动检测死锁。 ######
 *  ###### `jcmd`可以用来实现前面除了jstat之外所有命令的功能。 ######