深入理解Java虚拟机（四）虚拟机性能监控、基础故障处理工具

Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的高墙，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。

        给一个系统定位问题的时候，知识、经验是关键基础，数据是依据，工具是运用知识处理数据的手段。这里说的数据包括但不限于异常堆栈、虚拟机运行日志、垃圾收集器日志、线程快照（threaddump/javacore文件）、堆转储快照（heapdump/hprof文件）等。恰当地使用虚拟机故障处理、分析的工具可以提升我们分析数据、定位并解决问题的效率，但我们在学习工具前，也应当意识到工具永远都是知识技能的一层包装，没有什么工具是“秘密武器”，拥有了就能“包治百病”。 

一、基础故障处理工具

        Java开发人员肯定都知道JDK的bin目录中有java.exe、javac.exe这两个命令行工具，但并非所有程序员都了解过JDK的bin目录下其他各种小工具的作用。随着JDK版本的更迭，这些小工具的数量和功能也在不知不觉地增加与增强。除了编译和运行Java程序外，打包、部署、签名、调试、监控、运维等各种场景都可能会用到它们，这些工具如图所示。

        这里将介绍这些工具中的一部分，主要是用于监视虚拟机运行状态和进行故障处理的工具。

1.1、jps：虚拟机进程状况工具

        JDK的很多小工具的名字都参考了UNIX命令的命名方式，jps（JVM Process Status Tool）是其中的典型。除了名字像UNIX的ps命令之外，它的功能也和ps命令类似：可以列出正在运行的虚拟机进程，并显示虚拟机执行主类（Main Class，main()函数所在的类）名称以及这些进程的本地虚拟机唯一ID（LVMID，Local Virtual Machine Identifier）。虽然功能比较单一，但它绝对是使用频率最高的JDK命令行工具，因为其他的JDK工具大多需要输入它查询到的LVMID来确定要监控的是哪一个虚拟机进程。对于本地虚拟机进程来说，LVMID与操作系统的进程ID（PID，Process Identifier）是一致的，使用Windows的任务管理器或者UNIX的ps命令也可以查询到虚拟机进程的LVMID，但如果同时启动了多个虚拟机进程，无法根据进程名称定位时，那就必须依赖jps命令显示主类的功能才能区分了。

jps命令格式：

jps [ options ] [ hostid ]

jps执行样例：

PS D:\> jps -l
43792
13908 org.jetbrains.idea.maven.server.RemoteMavenServer
13384 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
2440 org.jetbrains.idea.maven.server.RemoteMavenServer
50412 sun.tools.jps.Jps

         jps还可以通过RMI协议查询开启了RMI服务的远程虚拟机进程状态，参数hostid为RMI注册表中注册的主机名。jps的其他常用选项见表4-1。

 1.2、jstat：虚拟机统计信息监视工具

        jstat（JVM Statistics Monitoring Tool）是用于监视虚拟机各种运行状态信息的命令行工具。它可以显示本地或者远程[1]虚拟机进程中的类加载、内存、垃圾收集、即时编译等运行时数据，在没有GUI图形界面、只提供了纯文本控制台环境的服务器上，它将是运行期定位虚拟机性能问题的常用工具。

jstat命令格式为：

jstat [ option vmid [interval[s|ms] [count]] ]

        对于命令格式中的VMID与LVMID需要特别说明一下：如果是本地虚拟机进程，VMID与LVMID是一致的；如果是远程虚拟机进程，那VMID的格式应当是：

[protocol:][//]lvmid[@hostname[:port]/servername]

        参数interval和count代表查询间隔和次数，如果省略这2个参数，说明只查询一次。假设需要每250毫秒查询一次进程2764垃圾收集状况，一共查询20次，那命令应当是：

jstat -gc 2764 250 20

        选项option代表用户希望查询的虚拟机信息，主要分为三类：类加载、垃圾收集、运行期编译状况。详细请参考表：

         jstat监视选项众多，囿于版面原因无法逐一演示，这里仅举一个在命令行下监视一台刚刚启动的GlassFish v3服务器的内存状况的例子，用以演示如何查看监视结果。监视参数与输出结果如代码清单：

jstat -gcutil 2764
S0 S1 E O P YGC YGCT FGC FGCT GCT
0.00 0.00 6.20 41.42 47.20 16 0.105 3 0.472 0.577

        查询结果表明：这台服务器的新生代Eden区（E，表示Eden）使用了6.2%的空间，2个Survivor区（S0、S1，表示Survivor0、Survivor1）里面都是空的，老年代（O，表示Old）和永久代（P，表示Permanent）则分别使用了41.42%和47.20%的空间。程序运行以来共发生Minor GC（YGC，表示Young GC）16次，总耗时0.105秒；发生Full GC（FGC，表示Full GC）3次，总耗时（FGCT，表示Full GC Time）为0.472秒；所有GC总耗时（GCT，表示GC Time）为0.577秒。

        使用jstat工具在纯文本状态下监视虚拟机状态的变化，在用户体验上也许不如后文将会提到的JMC、VisualVM等可视化的监视工具直接以图表展现那样直观，但在实际生产环境中不一定可以使用图形界面，而且多数服务器管理员也都已经习惯了在文本控制台工作，直接在控制台中使用jstat命令依然是一种常用的监控方式。

1.3、jinfo：Java配置信息工具

        jinfo（Configuration Info for Java）的作用是实时查看和调整虚拟机各项参数。使用jps命令的-v参数可以查看虚拟机启动时显式指定的参数列表，但如果想知道未被显式指定的参数的系统默认值，除了去找资料外，就只能使用jinfo的-flag选项进行查询了（如果只限于JDK 6或以上版本的话，使用java-XX：+PrintFlagsFinal查看参数默认值也是一个很好的选择）。jinfo还可以使用-sysprops选项把虚拟机进程的System.getProperties()的内容打印出来。这个命令在JDK 5时期已经随着Linux版的JDK发布，当时只提供了信息查询的功能，JDK 6之后，jinfo在Windows和Linux平台都有提供，并且加入了在运行期修改部分参数值的能力（可以使用-flag[+|-]name或者-flag name=value在运行期修改一部分运行期可写的虚拟机参数值）。在JDK 6中，jinfo对于Windows平台功能仍然有较大限制，只提供了最基本的-flag选项。

jinfo命令格式：

jinfo [ option ] pid

执行样例：查询CMSInitiatingOccupancyFraction参数值

jinfo -flag CMSInitiatingOccupancyFraction 1444
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=85

1.4、jmap：Java内存映像工具

        jmap（Memory Map for Java）命令用于生成堆转储快照（一般称为heapdump或dump文件）。如果不使用jmap命令，要想获取Java堆转储快照也还有一些比较“暴力”的手段：譬如在第2章中用过的-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError参数，可以让虚拟机在内存溢出异常出现之后自动生成堆转储快照文件，通过-XX:+HeapDumpOnCtrlBreak参数则可以使用[Ctrl]+[Break]键让虚拟机生成堆转储快照文件，又或者在Linux系统下通过Kill-3命令发送进程退出信号“恐吓”一下虚拟机，也能顺利拿到堆转储快照。

        jmap的作用并不仅仅是为了获取堆转储快照，它还可以查询finalize执行队列、Java堆和方法区的详细信息，如空间使用率、当前用的是哪种收集器等。

        和jinfo命令一样，jmap有部分功能在Windows平台下是受限的，除了生成堆转储快照的-dump选项和用于查看每个类的实例、空间占用统计的-histo选项在所有操作系统中都可以使用之外，其余选项都只能在Linux/Solaris中使用。

jmap命令格式：

jmap [ option ] vmid

option选项的合法值与具体含义如表：

         代码清单是使用jmap生成一个正在运行的Eclipse的堆转储快照文件的例子，例子中的3500是通过jps命令查询到的LVMID。

jmap -dump:format=b,file=eclipse.bin 3500
Dumping heap to C:\Users\IcyFenix\eclipse.bin ...
Heap dump file created

1.5、jhat：虚拟机堆转储快照分析工具

        JDK提供jhat（JVM Heap Analysis Tool）命令与jmap搭配使用，来分析jmap生成的堆转储快照。jhat内置了一个微型的HTTP/Web服务器，生成堆转储快照的分析结果后，可以在浏览器中查看。不过实事求是地说，在实际工作中，除非手上真的没有别的工具可用，否则多数人是不会直接使用jhat命令来分析堆转储快照文件的，主要原因有两个方面。一是一般不会在部署应用程序的服务器上直接分析堆转储快照，即使可以这样做，也会尽量将堆转储快照文件复制到其他机器[1]上进行分析，因为分析工作是一个耗时而且极为耗费硬件资源的过程，既然都要在其他机器上进行，就没有必要再受命令行工具的限制了。另外一个原因是jhat的分析功能相对来说比较简陋，后文将会介绍到的VisualVM，以及专业用于分析堆转储快照文件的Eclipse Memory Analyzer、IBM HeapAnalyzer[2]等工具，都能实现比jhat更强大专业的分析功能。代码清单4-3演示了使用jhat分析上一节采用jmap生成的Eclipse IDE的内存快照文件。

代码清单使用jhat分析dump文件：

jhat eclipse.bin
Reading from eclipse.bin...
Dump file created Fri Nov 19 22:07:21 CST 2010
Snapshot read, resolving...
Resolving 1225951 objects...
Chasing references, expect 245 dots....
Eliminating duplicate references...
Snapshot resolved.
Started HTTP server on port 7000
Server is ready.

        屏幕显示“Server is ready.”的提示后，用户在浏览器中输入http://localhost:7000/可以看到分析结果，如图所示。

        分析结果默认以包为单位进行分组显示，分析内存泄漏问题主要会使用到其中的“Heap Histogram”（与jmap-histo功能一样）与OQL页签的功能，前者可以找到内存中总容量最大的对象，后者是标准的对象查询语言，使用类似SQL的语法对内存中的对象进行查询统计。

1.6、jstack：Java堆栈跟踪工具

        jstack（Stack Trace for Java）命令用于生成虚拟机当前时刻的线程快照（一般称为threaddump或者javacore文件）。线程快照就是当前虚拟机内每一条线程正在执行的方法堆栈的集合，生成线程快照的目的通常是定位线程出现长时间停顿的原因，如线程间死锁、死循环、请求外部资源导致的长时间挂起等，都是导致线程长时间停顿的常见原因。线程出现停顿时通过jstack来查看各个线程的调用堆栈，就可以获知没有响应的线程到底在后台做些什么事情，或者等待着什么资源。

 jstack命令格式：

jstack [ option ] vmid

option选项的合法值与具体含义如表：

        代码清单是使用jstack查看Eclipse线程堆栈的例子，例子中的3500是通过jps命令查询到的LVMID。

jstack -l 3500
2010-11-19 23:11:26
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (17.1-b03 mixed mode):
"[ThreadPool Manager] - Idle Thread" daemon prio=6 tid=0x0000000039dd4000 nid= 0xf50 in Object.wait() [0x000000003c96f000]
java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on <0x0000000016bdcc60> (a org.eclipse.equinox.internal.util.impl.tpt.threadpool.Executor)
at java.lang.Object.wait(Object.java:485)
at org.eclipse.equinox.internal.util.impl.tpt.threadpool.Executor.run (Executor. java:106)
- locked <0x0000000016bdcc60> (a org.eclipse.equinox.internal.util.impl.tpt.threadpool.Executor)
Locked ownable synchronizers:
- None

        从JDK 5起，java.lang.Thread类新增了一个getAllStackTraces()方法用于获取虚拟机中所有线程的StackTraceElement对象。使用这个方法可以通过简单的几行代码完成jstack的大部分功能，在实际项目中不妨调用这个方法做个管理员页面，可以随时使用浏览器来查看线程堆栈，如下面代码清单所示：

<%@ page import="java.util.Map"%>





<%
    for (Map.Entry stackTrace : Thread.getAllStack-            Traces().entrySet()) {
        Thread thread = (Thread) stackTrace.getKey();
        StackTraceElement[] stack = (StackTraceElement[]) stackTrace.getValue();
        if (thread.equals(Thread.currentThread())) {
            continue;
        }
        out.print("\n线程：" + thread.getName() + "\n");
        for (StackTraceElement element : stack) {
            out.print("\t"+element+"\n");
        }
    }
%>

1.7、基础工具总结

        下面表中罗列了JDK附带的全部（包括曾经存在但已经在最新版本中被移除的）工具及其简要用途，限于篇幅，本节只讲解了6个常用的命令行工具。笔者选择这几个工具除了因为它们是最基础的命令外，还因为它们已经有很长的历史，能适用于大多数读者工作、学习中使用的JDK版本。在高版本的JDK中，这些工具大多已有了功能更为强大的替代品，譬如JCMD、JHSDB的命令行模式，但使用方法也是相似的，无论JDK发展到了什么版本，学习这些基础的工具命令并不会过时和浪费。