JVM性能調優監控工具詳解

現實企業級Java開發中，有時候咱們會碰到下面這些問題：

• OutOfMemoryError，內存不足
• 內存泄露
• 線程死鎖
• 鎖爭用（Lock Contention）
• Java進程消耗CPU太高
• ......

    這些問題在平常開發中可能被不少人忽視（好比有的人遇到上面的問題只是重啓服務器或者調大內存，而不會深究問題根源），但可以理解並解決這些問題是Java程序員進階的必備要求。本文將對一些經常使用的JVM性能調優監控工具進行介紹，但願能起拋磚引玉之用。本文參考了網上不少資料，難以一一列舉，在此對這些資料的做者表示感謝！關於JVM性能調優相關的資料，請參考文末。

1、jps(Java Virtual Machine Process Status Tool)      

    jps主要用來輸出JVM中運行的進程狀態信息。語法格式以下：

jps [options] [hostid]

    若是不指定hostid就默認爲當前主機或服務器。

    命令行參數選項說明以下：

-q 不輸出類名、Jar名和傳入main方法的參數

-m 輸出傳入main方法的參數

-l 輸出main類或Jar的全限名

-v 輸出傳入JVM的參數

   好比下面：

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

 

2、 jstack

 jstack主要用來查看某個Java進程內的線程堆棧信息。語法格式以下：

jstack [option] pid

jstack [option] executable core

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

  命令行參數選項說明以下：

-l long listings，會打印出額外的鎖信息，在發生死鎖時能夠用jstack -l pid來觀察鎖持有狀況

-m mixed mode，不只會輸出Java堆棧信息，還會輸出C/C++堆棧信息（好比Native方法）

  jstack能夠定位到線程堆棧，根據堆棧信息咱們能夠定位到具體代碼，因此它在JVM性能調優中使用得很是多。下面咱們來一個實例找出某個Java進程中最耗費CPU的Java線程並定位堆棧信息，用到的命令有ps、top、printf、jstack、grep。

 

第一步先找出Java進程ID，我部署在服務器上的Java應用名稱爲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

    獲得進程ID爲21711，第二步找出該進程內最耗費CPU的線程，可使用ps -Lfp pid或者ps -mp pid -o THREAD, tid, time或者top -Hp pid，我這裏用第三個。

TIME列就是各個Java線程耗費的CPU時間，CPU時間最長的是線程ID爲21742的線程，用

printf "%x\n" 21742

    獲得21742的十六進制值爲54ee，下面會用到。    

    OK，下一步終於輪到jstack上場了，它用來輸出進程21711的堆棧信息，而後根據線程ID的十六進制值grep，以下：

root@ubuntu:/# jstack 21711 | grep 54ee

"PollIntervalRetrySchedulerThread" prio=10 tid=0x00007f950043e000 nid=0x54ee in Object.wait() [0x00007f94c6eda000]

    能夠看到CPU消耗在PollIntervalRetrySchedulerThread這個類的Object.wait()，我找了下個人代碼，定位到下面的代碼：

// 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) {

    }

}

    它是輪詢任務的空閒等待代碼，上面的sigLock.wait(timeUntilContinue)就對應了前面的Object.wait()。

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

    jmap用來查看堆內存使用情況，通常結合jhat使用。

    jmap語法格式以下：

jmap [option] pid

jmap [option] executable core

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

    若是運行在64位JVM上，可能須要指定-J-d64命令選項參數。

jmap -permstat pid

    打印進程的類加載器和類加載器加載的持久代對象信息，輸出：類加載器名稱、對象是否存活（不可靠）、對象地址、父類加載器、已加載的類大小等信息

 

使用jmap -heap pid查看進程堆內存使用狀況，包括使用的GC算法、堆配置參數和各代中堆內存使用狀況。好比下面的例子：

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查看堆內存中的對象數目、大小統計直方圖，若是帶上live則只統計活對象，以下：

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是對象類型，說明以下：

B  byte

C  char

D  double

F  float

I  int

J  long

Z  boolean

[  數組，如[I表示int[]

[L+類名 其餘對象

    還有一個很經常使用的狀況是：用jmap把進程內存使用狀況dump到文件中，再用jhat分析查看。jmap進行dump命令格式以下：

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

    我同樣地對上面進程ID爲21711進行Dump：

root@ubuntu:/# jmap -dump:format=b,file=/tmp/dump.dat 21711     

Dumping heap to /tmp/dump.dat ...

Heap dump file created

   dump出來的文件能夠用MAT、VisualVM等工具查看，這裏用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.

     注意若是Dump文件太大，可能須要加上-J-Xmx512m這種參數指定最大堆內存，即jhat -J-Xmx512m -port 9998 /tmp/dump.dat。而後就能夠在瀏覽器中輸入主機地址:9998查看了

 

4、jstat（JVM統計監測工具）

    語法格式以下：

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

Usage: jstat -help|-options

       jstat -<option> [-t] [-h<lines>] <vmid> [<interval> [<count>]]

 參數解釋：

Options — 選項，咱們通常使用 -gcutil 查看gc狀況

vmid    — VM的進程號，即當前運行的java進程號

interval– 間隔時間，單位爲秒或者毫秒

count   — 打印次數，若是缺省則打印無數次

要明白上面各列的意義，先看JVM堆內存佈局：

 

 

S0  — Heap上的 Survivor space 0 區已使用空間的百分比

S1  — Heap上的 Survivor space 1 區已使用空間的百分比

E   — Heap上的 Eden space 區已使用空間的百分比

O   — Heap上的 Old space 區已使用空間的百分比

P   — Perm space 區已使用空間的百分比

YGC — 從應用程序啓動到採樣時發生 Young GC 的次數

YGCT– 從應用程序啓動到採樣時 Young GC 所用的時間(單位秒)

FGC — 從應用程序啓動到採樣時發生 Full GC 的次數

FGCT– 從應用程序啓動到採樣時 Full GC 所用的時間(單位秒)

GCT — 從應用程序啓動到採樣時用於垃圾回收的總時間(單位秒)

實例使用1：

[root@localhost bin]# jstat -gcutil 25444

  S0     S1     E      O      P     YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT

 11.63   0.00   56.46  66.92  98.49 162    0.248    6      0.331    0.579

 

實例使用2：(25444是java的進程號，ps -ef | grep java)

[root@localhost bin]# jstat -gcutil 25444 1000 5

  S0      S1       E        O         P        YGC    YGCT   FGC   FGCT    GCT

 73.54   0.00  99.04  67.52  98.49    166    0.252     6    0.331    0.583

 73.54   0.00  99.04  67.52  98.49    166    0.252     6    0.331    0.583

 73.54   0.00  99.04  67.52  98.49    166    0.252     6    0.331    0.583

 73.54   0.00  99.04  67.52  98.49    166    0.252     6    0.331    0.583

 73.54   0.00  99.04  67.52  98.49    166    0.252     6    0.331    0.583

咱們能夠看到，5次young gc以後，垃圾內存被從Eden space區(E)放入了Old space區(O)，並引發了百分比的變化，致使Survivor space使用的百分比從73.54%(S0)降到0%(S1)。有效釋放了內存空間。綠框中，咱們能夠看到，一次full gc以後，Old space區(O)的內存被回收，從99.05%降到67.52%。

圖中同時打印了young gc和full gc的總次數、總耗時。而，每次young gc消耗的時間，能夠用相間隔的兩行YGCT相減獲得。每次full gc消耗的時間，能夠用相隔的兩行FGCT相減獲得。例如紅框中表示的第一行、第二行之間發生了1次young gc，消耗的時間爲0.252-0.252＝0.0秒。

常駐內存區(P)的使用率，始終停留在98.49%左右，說明常駐內存沒有突變，比較正常。

若是young gc和full gc可以正常發生，並且都能有效回收內存，常駐內存區變化不明顯，則說明java內存釋放狀況正常，垃圾回收及時，java內存泄露的概率就會大大下降。但也不能說明必定沒有內存泄露。

 

5、hprof（Heap/CPU Profiling Tool）

    hprof可以展示CPU使用率，統計堆內存使用狀況。

    語法格式以下：

java -agentlib:hprof[=options] ToBeProfiledClass

java -Xrunprof[:options] ToBeProfiledClass

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

    完整的命令選項以下：

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

    來幾個官方指南上的實例。

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

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

    上面每隔20毫秒採樣CPU消耗信息，堆棧深度爲3，生成的profile文件名稱是java.hprof.txt，在當前目錄。 

    CPU Usage Times Profiling(cpu=times)的例子，它相對於CPU Usage Sampling Profile可以得到更加細粒度的CPU消耗信息，可以細到每一個方法調用的開始和結束，它的實現使用了字節碼注入技術（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能生成更詳細的Heap Dump信息：

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

    雖然在JVM啓動參數中加入-Xrunprof:heap=sites參數能夠生成CPU/Heap Profile文件，但對JVM性能影響很是大，不建議在線上服務器環境使用