JVM工作原理与实战(三十五)：性能调优

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前言

一、性能调优

1.性能调优方法

二、性能调优案例

案例1：解决CPU占用率高问题的方案

案例2：接口响应时间长问题

案例3：定位底层性能问题

案例4：线程耗尽问题

总结

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前言

JVM作为Java程序的运行环境，其负责解释和执行字节码，管理内存，确保安全，支持多线程和提供性能监控工具，以及确保程序的跨平台运行。本文主要介绍了性能调优、性能调优案例等内容。

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一、性能调优

在应用程序的运行过程中，性能问题是一个常见且复杂的问题。为了确保应用程序的高效运行，开发人员需要对性能进行细致的调优。以下是常见的性能问题及其现象：

• 高CPU占用率：通过top命令观察到CPU占用率居高不下，甚至在多核环境下超过100%。这可能表明应用程序存在计算密集型问题或资源争用。
• 服务响应时间长：某些请求的处理时间异常延长，需要借助监控系统如Skywalking来定位是哪个服务或环节出现了性能瓶颈。
• 运行时异常：程序启动后运行正常，但一段时间后无法处理任何请求。内存和垃圾回收（GC）正常，这可能涉及到线程阻塞、资源泄漏或其他非内存相关的问题。

1.性能调优方法

线程转储查看：线程转储（Thread Dump）为开发人员提供了当前所有运行中线程的状态快照。通过工具如jstack和visualvm，可以深入了解线程的详细信息，例如线程名、优先级、ID以及其执行栈。这些信息对于诊断CPU占用率高、死锁等问题非常关键。

线程转储核心内容：

• 名称 (Name)：为线程设置合适的名称，有助于快速识别其作用。
• 优先级 (Prio)：线程的执行优先级。
• Java ID (tid)：JVM中线程的唯一标识。
• 本地ID (nid)：操作系统分配给线程的唯一ID。
• 状态 (State)：描述线程当前的状态，如NEW、RUNNABLE、BLOCKED等。每种状态都有其特定的含义和可能的问题原因。
• 栈追踪 (Stack Trace)：显示了线程执行过程中的方法调用栈信息，对于定位问题非常关键。

通过深入分析线程转储的信息，可以更准确地诊断性能问题的根源，并采取针对性的优化措施。

线程转储的可视化在线分析平台：

Smart Java thread dump analyzer - thread dump analysis in seconds (fastthread.io)https://fastthread.io/

二、性能调优案例

案例1：解决CPU占用率高问题的方案

问题描述：监控系统通过Prometheus发出告警，显示CPU占用率异常高。通过top命令观察，发现是由Java应用程序引起的。需要确定是哪个部分的代码导致了这一性能问题。

解决思路：

• 识别高CPU占用进程：使用top -c命令来识别CPU占用率最高的进程，并获取其进程ID (PID)。

• 深入线程分析：使用top -p [PID]来单独监控该进程的线程。通过按H，可以查看每个线程及其对应的CPU使用率。找到CPU使用率异常高的线程。

• 获取线程栈信息：使用jstack [PID]命令来获取所有线程的执行栈信息。通过重定向输出，例如jstack [PID] > file.txt，可以将这些信息保存到文件中，以便后续分析。
• 线程ID转换：找到与高CPU占用率相关的线程ID后，可能需要将十进制线程ID转换为16进制。可以使用如printf '%x\n' [线程ID]的命令来完成这一转换。
• 源代码定位：基于线程栈信息，定位到源代码中的相关部分，并分析导致高CPU占用率的根本原因。

在处理CPU占用率高的问题时，关注状态为RUNNABLE的线程是很重要的。然而，需要注意的是，有些线程在执行本地方法时并不会消耗大量CPU资源，而是在等待。尽管如此，JVM仍可能将这些线程标记为“RUNNABLE”状态。因此，除了关注RUNNABLE状态的线程外，还需考虑其他可能隐藏性能问题的状态。

案例2：接口响应时间长问题

问题描述：在程序运行过程中，发现有几个接口的响应时间异常延长，需要迅速定位到导致性能瓶颈的具体方法。

解决思路：已经确定是某个接口的性能问题，但由于方法嵌套较深，需要借助Arthas工具进行深入的方法定位。

使用Arthas的trace命令：Arthas的trace命令能够展示整个方法的调用路径及每个方法的执行耗时，是定位性能问题的有力工具。

• 命令格式：trace [类名] [方法名]
• 通过添加--skipJDKMethod false参数，可以输出JDK核心包中的方法及耗时。
• 通过添加‘#cost > 毫秒值’参数，仅显示耗时超过指定毫秒值的调用。
• 通过添加–n 数值参数，最多显示指定数量的数据。
• 所有监控结束后，输入stop结束监控，并重置Arthas增强的对象。

使用watch命令进行详细监控：在定位到性能较低的方法后，使用watch命令可以获取该方法的更详细信息。

• 命令格式：watch [类名] [方法名] ‘{params, returnObj}’ ‘#cost>毫秒值' -x 数值
• ‘{params, returnObj}’表示打印方法的参数和返回值。
• -x表示打印结果中如果有嵌套（如对象内的属性），最多展开2层数据。最大可设置为4。

案例3：定位底层性能问题

问题描述：在某个接口中，存在一个使用for循环向ArrayList添加数据的操作，但发现执行时间较长，需要深入分析并定位导致性能低下的根本原因。

解决思路：考虑到该问题涉及到底层方法的性能问题，将利用Arthas的强大功能进行性能分析。

使用Arthas的profile命令：Arthas的profile命令为开发人员提供了生成性能监控火焰图的工具，可以直观地展示方法执行的性能瓶颈。

• 命令1：profiler start 开始监控方法的执行性能。
• 命令2：profiler stop --format html 以HTML格式生成火焰图。

火焰图中的绿色部分代表方法执行时间较长，这部分很可能是性能瓶颈。对于底层性能问题，特别是由于JDK内部方法的大量调用导致的性能问题，火焰图为我们提供了直观的识别方式。

在这个案例中，由于在创建ArrayList时没有手动指定容量，导致默认容量的使用，并在添加对象时发生了多次扩容。扩容过程中需要将原有数组中的元素复制到新的数组中，这一过程消耗了大量时间。通过火焰图，可以看到大量与此相关的调用。经过修复后，该接口的执行时间减少了20%至50%。

案例4：线程耗尽问题

问题描述：程序在运行一段时间后，无法再处理任何请求。即使重启程序，同样的问题依然出现。

解决思路：线程耗尽问题通常由执行时间过长引起。为了解决这个问题，需要分两步进行分析：

• 检查是否存在无法自动解除的死锁，这将导致线程永久阻塞。
• 如果不存在死锁，我们将使用案例1中提到的打印线程栈的方法，来检测线程正在执行哪个方法。通常，这些长时间运行的方法是导致问题的关键。

解决方案：针对线程死锁问题，有三种方法可以帮助我们定位问题：

1. 使用jstack -l [进程ID] > [文件名]命令将线程栈信息保存到本地文件中。在文件中搜索“deadlock”关键字，可以找到死锁的位置。
2. 在开发环境中，可以使用如VisualVM或JConsole这样的工具来检测死锁。这些工具能够通过线程快照生成工具来查看死锁的根源。然而，生产环境中的服务通常不允许使用这些工具进行连接。
3. 使用Fastthread自动检测线程问题。Fastthread是一款在线的AI自动线程问题检测工具，能够提供线程分析报告。通过查看报告，我们可以判断是否存在死锁问题。

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总结

JVM是Java程序的运行环境，负责字节码解释、内存管理、安全保障、多线程支持、性能监控和跨平台运行。本文主要介绍了性能调优、性能调优案例等内容，希望对大家有所帮助。