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JVM性能调优监控工具jps、jstack、jmap、jhat、jstat、hprof使用详解

 现实企业级Java应用开发、维护中,有时候我们会碰到下面这些问题:

  • OutOfMemoryError,内存不足

  • 内存泄露

  • 线程死锁

  • 锁争用(Lock Contention)

  • Java进程消耗CPU过高

  • ......

    这些问题在日常开发、维护中可能被很多人忽视(比如有的人遇到上面的问题只是重启服务器或者调大内存,而不会深究问题根源),但能够理解并解决这些问题是Java程序员进阶的必备要求。本文将对一些常用的JVM性能调优监控工具进行介绍,希望能起抛砖引玉之用。

而且这些监控、调优工具的使用,无论你是运维、开发、测试,都是必须掌握的。

A、 jps(Java Virtual Machine Process Status Tool)      

    jps主要用来输出JVM中运行的进程状态信息。语法格式如下:

jps [options] [hostid]

    如果不指定hostid就默认为当前主机或服务器。

    命令行参数选项说明如下:

-q 不输出类名、Jar名和传入main方法的参数

-m 输出传入main方法的参数

-l 输出main类或Jar的全限名

-v 输出传入JVM的参数

   比如下面:

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

B、 jstack

    jstack主要用来查看某个Java进程内的线程堆栈信息。语法格式如下:

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

    命令行参数选项说明如下:

-l long listings,会打印出额外的锁信息,在发生死锁时可以用jstack -l pid来观察锁持有情况-m mixed mode,不仅会输出Java堆栈信息,还会输出C/C++堆栈信息(比如Native方法)

    jstack可以定位到线程堆栈,根据堆栈信息我们可以定位到具体代码,所以它在JVM性能调优中使用得非常多。下面我们来一个实例找出某个Java进程中最耗费CPU的Java线程并定位堆栈信息,用到的命令有ps、top、printf、jstack、grep。

    第一步先找出Java进程ID,我部署在服务器上的Java应用名称为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

    得到进程ID为21711,第二步找出该进程内最耗费CPU的线程,可以使用ps -Lfp pid或者ps -mp pid -o THREAD, tid, time或者top -Hp pid,我这里用第三个,输出如下:

    TIME列就是各个Java线程耗费的CPU时间,CPU时间最长的是线程ID为21742的线程,用

printf "%x\n" 21742

    得到21742的十六进制值为54ee,下面会用到。    

    OK,下一步终于轮到jstack上场了,它用来输出进程21711的堆栈信息,然后根据线程ID的十六进制值grep,如下:

root@ubuntu:/# jstack 21711 | grep 54ee
"PollIntervalRetrySchedulerThread" prio=10 tid=0x00007f950043e000 nid=0x54ee in Object.wait() [0x00007f94c6eda000]

    可以看到CPU消耗在PollIntervalRetrySchedulerThread这个类的Object.wait(),我找了下我的代码,定位到下面的代码:

// 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) {     } }

    它是轮询任务的空闲等待代码,上面的sigLock.wait(timeUntilContinue)就对应了前面的Object.wait()。


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

    jmap用来查看堆内存使用状况,一般结合jhat使用。

    jmap语法格式如下:

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

    如果运行在64位JVM上,可能需要指定-J-d64命令选项参数。

jmap -permstat pid

    打印进程的类加载器和类加载器加载的持久代对象信息,输出:类加载器名称、对象是否存活(不可靠)、对象地址、父类加载器、已加载的类大小等信息,如下图:

   使用jmap -heap pid查看进程堆内存使用情况,包括使用的GC算法、堆配置参数和各代中堆内存使用情况。比如下面的例子:

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查看堆内存中的对象数目、大小统计直方图,如果带上live则只统计活对象,如下:

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是对象类型,说明如下:

B  byte
C  char
D  double
F  float
I  int
J  long
Z  boolean
[  数组,如[I表示int[] [L+类名 其他对象

    还有一个很常用的情况是:用jmap把进程内存使用情况dump到文件中,再用jhat分析查看。jmap进行dump命令格式如下:

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

    我一样地对上面进程ID为21711进行Dump:

root@ubuntu:/# jmap -dump:format=b,file=/tmp/dump.dat 21711     
Dumping heap to /tmp/dump.dat ... Heap dump file created

   dump出来的文件可以用MAT、VisualVM等工具查看,这里用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 2014Snapshot read, resolving... Resolving 132207 objects... Chasing references, expect 26 dots.......................... Eliminating duplicate references.......................... Snapshot resolved. Started HTTP server on port 9998Server is ready.

     注意如果Dump文件太大,可能需要加上-J-Xmx512m这种参数指定最大堆内存,即jhat -J-Xmx512m -port 9998 /tmp/dump.dat。然后就可以在浏览器中输入主机地址:9998查看了:

    上面红线框出来的部分大家可以自己去摸索下,最后一项支持OQL(对象查询语言)。


D、jstat(JVM统计监测工具)

    语法格式如下:

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

    vmid是Java虚拟机ID,在Linux/Unix系统上一般就是进程ID。interval是采样时间间隔。count是采样数目。比如下面输出的是GC信息,采样时间间隔为250ms,采样数为4:

root@ubuntu:/# jstat -gc 21711 250 4 
S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       PC     PU    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT   
192.0  192.0   64.0   0.0    6144.0   1854.9   32000.0     4111.6   55296.0 25472.7    702    0.431   3      0.218    0.649
192.0  192.0   64.0   0.0    6144.0   1972.2   32000.0     4111.6   55296.0 25472.7    702    0.431   3      0.218    0.649
192.0  192.0   64.0   0.0    6144.0   1972.2   32000.0     4111.6   55296.0 25472.7    702    0.431   3      0.218    0.649
192.0  192.0   64.0   0.0    6144.0   2109.7   32000.0     4111.6   55296.0 25472.7    702    0.431   3      0.218    0.649

    要明白上面各列的意义,先看JVM堆内存布局:

    可以看出:

堆内存 = 年轻代 + 年老代 + 永久代 年轻代 = Eden区 + 两个Survivor区(From和To)

    现在来解释各列含义:

S0C、S1C、S0U、S1U:Survivor 0/1区容量(Capacity)和使用量(Used) EC、EU:Eden区容量和使用量 OC、OU:年老代容量和使用量 PC、PU:永久代容量和使用量 YGC、YGT:年轻代GC次数和GC耗时 FGC、FGCT:Full GC次数和Full GC耗时 GCT:GC总耗时


E、hprof(Heap/CPU Profiling Tool)

    hprof能够展现CPU使用率,统计堆内存使用情况。

    语法格式如下:

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

    完整的命令选项如下:

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

    来几个官方指南上的实例。

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

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

    上面每隔20毫秒采样CPU消耗信息,堆栈深度为3,生成的profile文件名称是java.hprof.txt,在当前目录。 

    CPU Usage Times Profiling(cpu=times)的例子,它相对于CPU Usage Sampling Profile能够获得更加细粒度的CPU消耗信息,能够细到每个方法调用的开始和结束,它的实现使用了字节码注入技术(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能生成更详细的Heap Dump信息:

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

    虽然在JVM启动参数中加入-Xrunprof:heap=sites参数可以生成CPU/Heap Profile文件,但对JVM性能影响非常大,不建议在线上服务器环境使用。

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