【JVM进阶之路】九：性能监控工具-可视化工具篇

逃离我推掉我的手 2022-11-17 11:26 336阅读 0赞

在前面已经学习了JVM性能监控的命令行工具，接下来学习JVM性能监控的命令行工具，通过可视化工具可以更直观地监控JVM性能、处理JVM相关问题。

# 1、JConsole #

JConsole（ Java Monitoring and Management Console），是一款基于 JMX（ Java Manage-ment Extensions） 的可视化监视管理工具。

它的功能主要是对系统进行收集和参数调整，不仅可以用在虚拟机本身的管理上，还可以用于运行于虚拟机之上的软件中。

## 1.1、JConsole连接Java程序 ##

JConsole程序位于%JAVA\_HOME%bin目录下，直接通过命令启动。

![JConsole启动和连接][JConsole]

在新建连接对话框中，罗列了所有的本地Java应用程序，选择需要连接的程序即可。

下面还有一个用于连接远程进程的文本框，输入正确的远程地址即可连接。

如果一个程序需要使用JConsole与那成连接，则需要在启动Java程序时，加上以下参数：

JAVA_OPTS="-Dfile.encoding=UTF-8" 
    JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Dlog.dir=$LOG_PATH" 
    JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Djava.rmi.server.hostname=xxx.xxx.xxx.xxx(本机IP) -Dcom.sun.management.jmxremote" 
    JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Dcom.sun.management.jmxremote.port=xx" 
    JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false -Dcom.sun.management.jmxremote.local.only=false"
    JAVA_OPTS="$JAVA_OPTS -Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false"

## 1.2、Java程序概况 ##

使用JConsole连接了一个本地程序，在`概述`可以看到Java程序运行的概览信息，包括`堆内存使用情况`、`线程`、`类`、`CPU使用情况`四项信息的曲线图。

![JConsole概览][JConsole 1]

## 1.3、内存监控 ##

`内存`的作用相当于可视化的jstat命令，用于监视被收集器管理的虚拟机内存。

它不仅包含堆内存的整体信息，更细化到eden区、suvivior区、老年代的使用情况。

![JConsole内存监控][JConsole 2]

为了更加清晰地查看内存地变化，运行下面一段程序，然后连接：

/** * VM参数： -Xms100m -Xmx100m -XX:+UseSerialGC */
    public class JConcoleRAMMonitor { 
    
        /*** * 内存占位符对象，一个OOMObject大约占64KB */
        static class OOMObject { 
            public byte[] placeholder = new byte[64 * 1024];
        }
    
        public static void fillHeap(int num) throws InterruptedException { 
            List<OOMObject> list = new ArrayList<OOMObject>();
            for (int i = 0; i < num; i++) { 
                // 稍作延时，令监视曲线的变化更加明显
                Thread.sleep(300);
                list.add(new OOMObject());
            }
            System.gc();
        }
    
        public static void main(String[] args) throws Exception { 
            fillHeap(2000);
        }
    }

这段代码的作用是以64KB/50ms的速度向Java堆中填充数据，一共填充1000次。

观察Eden区的运行趋势，发现呈折线。观察堆内存使用，发现以稍有曲折的状态向上增长。

![Eden区内存变化状况][Eden]

执行System.gc()之后，老年代的柱状图仍然显示峰值状态，最后程序会以堆内存溢出结束，这是因为空间未能回收——List<OOMObject>list对象一直存活， fillHeap()方法仍然没有退出，如果把 System.gc()移动到fillHeap()方法外调用就可以回收掉全部内存。

## 1.4、线程监控 ##

JConcole还可以监控线程，相当于可视化的jstack命令。如图，JConcole显示了系统内的线程数量，并在屏幕下方显示了程序中所有的线程。单击线程名称，就可以查看线程的栈信息。

![JConsole线程监控][JConsole 3]

使用JConsole还可以快速定位死锁问题。

这是一段会产生死锁的代码：

public class ThreadLockDemo { 
    
        /** * 线程死锁等待演示 */
        static class SynAddRunalbe implements Runnable { 
            int a, b;
    
            public SynAddRunalbe(int a, int b) { 
                this.a = a;
                this.b = b;
            }
    
            @Override
            public void run() { 
                synchronized (Integer.valueOf(a)) { 
                    synchronized (Integer.valueOf(b)) { 
                        System.out.println(a + b);
                    }
                }
            }
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            for (int i = 0; i < 100; i++) { 
                new Thread(new SynAddRunalbe(1, 2)).start();
                new Thread(new SynAddRunalbe(2, 1)).start();
            }
        }
    }

出现线程死锁以后，点击JConsole线程面板的`检测到死锁`按钮，将会看到线程的死锁信息。

![线程死锁检测][e3732485cb27a2b3cda2eef6d096c4f1.png]

可以看到线程Thread-199等待线程Thread-21持有的资源。

## 1.5、类加载情况 ##

如图，类页面显示了已经装载的类数量。在详细信息栏中，还显示了已经卸载的类的数量。

![类加载情况][fb76a82c4fbda89367ce18c402ad4cf0.png]

## 1.6、虚拟机信息 ##

在`VM摘要`，JConsole显示了当前应用程序的运行环境，包括虚拟机类型、版本、堆信息以及虚拟机参数等。

![VM 摘要][VM]

# 2、VisualVM #

VisualVM（All-in-One Java Troubleshooting Tool）是功能最强大的运行监视和故障处理程序之一，曾经在很长一段时间内是Oracle官方主力发展的虚拟机故障处理工具。

相比一些第三方工具，VisualVM有一个很大的优点：不需要被监视的程序基于特殊Agent去运行，因此它的通用性很强，对应用程序实际性能的影响也较小，使得它可以直接应用在生产环境中。

## 2.1、VisualVM安装插件 ##

在JDK6 Update7以后，VisualVM便作为JDK的一部分发布，它在%JAVA\_HOME%bin 目录下，点击就可以启动。

![VisualVM位置][VisualVM]

VisualVM的精华之处在于它的插件。插件安装可以手动安装或者自动安装。

手动安装，从地址 https://visualvm.github.io/pluginscenters.html 下载载nbm包，点击“工具->插件->已下载”菜单，然后在弹出对话框中指定nbm包路径便可完成安装。

一般选择自动安装，点击`工具`\-> `插件菜单`，在`可用插件`里可以看到可安装的插件，按需安装即可。

![VisualVM安装插件][VisualVM 1]

VisualVM中`概述`,`监视`、`线程`，`MBeans`的功能与前面介绍的JConsole差别不大，这里就不在赘言。

## 2.2、生成、浏览堆转储快照 ##

在VisualVM中生成堆转储快照文件有两种方式，可以执行下列任一操作：

*  在`应用程序`窗口中右键单击应用程序节点，然后选择`堆Dump`。
 *  在`应用程序`窗口中双击应用程序节点以打开应用程序标签，然后在“监视”标签中单击`堆Dump`。

![堆Dump][Dump]

生成堆转储快照文件之后，该堆的应用程序下增加了一个以\[heap-dump\]开头的子节点。如果需要把堆转储快照保存或发送出去，就需要heapdump节点上右键选择“另存为”菜单，否则当VisualVM关闭时，生成的堆转储快照文件会被当作临时文件自动清理掉。要打开一个由已经存在的堆转储快照文件，通过文件菜单中的“装入”功能，选择磁盘上的文件即可。

![VisualVM生成的堆转储快照][VisualVM 2]

## 2.3、分析程序性能 ##

要开始性能分析，先选择“CPU”和“内存”按钮中的一个，然后切换到应用程序中对程序进行操作，VisualVM会记录这段时间中应用程序执行过的所有方法。

![VisualVM性能分析][VisualVM 3]

如果是进行处理器执行时间分析，将会统计每个方法的执行次数、执行耗时；

![VisualVM CPU分析][VisualVM CPU]

如果是内存分析，则会统计每个方法关联的对象数以及这些对象所占的空间。

![VisualVM内存分析][VisualVM 4]

等要分析的操作执行结束后，点击“停止”按钮结束监控过程。

## 2.4、BTrace动态日志跟踪 ##

BTrace是个很有意思的插件，它可以在不停机的情况下，通过字节码注入动态监控系统的运行情况。

Btrace自动安装如下，到github的网络可能存在不稳定的问题，可以重试，或者手动安装

![BTrace插件安装][BTrace]

在VisualVM中安装了BTrace插件后，在应用程序面板中右击要调试的程序，会出现“Trace Application…”菜单：

![image-20210407231817248][]

点击将进入BTrace面板。这个面板看起来就像一个简单的Java程序开发环境：

![image-20210407231851293][]

现在来尝试使用BTrace追踪正在运行的程序。

一段简单的Java代码：产生两个1000以内的随机整数，输出这两个数字相加的结果。

public class BTraceTest { 
        public int add(int a, int b) { 
            return a + b;
        }
    
        public static void main(String[] args) throws IOException { 
            BTraceTest test = new BTraceTest();
            BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
            for (int i = 0; i < 10; i++) { 
                reader.readLine();
                int a = (int) Math.round(Math.random() * 1000);
                int b = (int) Math.round(Math.random() * 1000);
                System.out.println(test.add(a, b));
            }
        }
    }

运行程序，现在需要在不停止程序的情况下，监控程序中生成的两个随机数。在VisualVM中打开该程序的监视，在BTrace页 签填充TracingScript的内容，输入调试代码：

/* BTrace Script Template */
    import com.sun.btrace.annotations.*;
    import static com.sun.btrace.BTraceUtils.*;
    
    @BTrace
    public class TracingScript { 
    	 @OnMethod(clazz = "cn.fighter3.test.BTraceTest", 
          method = "add", 
          location = @Location(Kind.RETURN)
        )
        public static void func(@Self cn.fighter3.test.BTraceTest instance, 
            int a, int b,
            @Return int result) { 
            println("调用堆栈:");
            jstack();
            println(strcat("方法参数A:", str(a)));
            println(strcat("方法参数B:", str(b)));
            println(strcat("方法结果:", str(result)));
        }
    }

点击start按钮，当程序运行时将会在Output面板输出调试信息：

![image-20210407233504006][]

BTrace的用途很广泛，打印调用堆栈、参数、返回值只是它最基础的使用形式，更多应用可以查看官方仓库 https://github.com/btraceio/btrace/wiki 。

# 3、Java Mission Control #

JMV最初是JRockit虚拟机提供的一款诊断工具。在Oracle JDK7 Update 40以后，它就绑定在Oracle JDK中发布。

JMC位置是`%JAVA_HOME%/bin/jmc.exe`，打开软件界面：

![JMC主要界面][JMC]

在左侧的“JVM浏览器”面板中自动显示了通过JDP协议（Java Discovery Protocol）找到的本机正在运行的HotSpot虚拟机进程。

## 3.1、MBean服务器 ##

点击本地进程的`MBean服务器`：

![MBean服务器][MBean]

可以看到，以飞行仪表的视图显示了Java堆使用率，CPU使用率和Live Set+Fragmentation。

## 3.2、飞行记录器（Flight Recorder） ##

飞行记录器是JMC提供的另一大功能，它通过记录程序在一段时间内的运行情况，将记录结果进行分析和展示，可以更进一步对系统的性能进行分析和诊断。

要使用JFR，程序启动需要带以下参数：

-XX:+UnlockCommercialFeatures  -XX:+FlightRecorder

连接加了相关参数启动的程序，启动飞行记录，进行一分钟的性能记录：

![image-20210408000854241][]

记录结束后，JMC会自动打开刚才的记录：

![image-20210408001133160][]

JFR提供的数据质量通常也要比其他工具通过代理形式采样获得或者从MBean中取得的数据高得多。以垃圾搜集为例，HotSpot的MBean中一般有各个分代大小、收集次数、时间、占用率等数据（根据收集器不同有所差别），这些都属于“结果”类的信息，而JFR中还可以看到内存中这段时间分配了哪些对象、哪些在TLAB中（或外部）分配、分配速率 和压力大小如何、分配归属的线程、收集时对象分代晋升的情况等。

# 4、第三方工具 #

以上三个都是JDK自带的性能监控工具，除此之外还有一些第三方的性能监控工具。

*  **MAT**

Java 堆内存分析工具。

*  **GChisto**

GC 日志分析工具。

*  **GCViewer**

`GC` 日志分析工具。

*  **JProfiler**

商用的性能分析利器。

*  **arthas**

阿里开源诊断工具。

*  **async-profiler**

Java 应用性能分析工具，开源、火焰图、跨平台。

这里只是简单罗列，就不再展开详细介绍。

--------------------

**参考：**

【1】：周志明编著《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》

【2】：《实战JAVA虚拟机 JVM故障诊断与性能优化》

【3】：[Jvm 系列(七):Jvm 调优-工具篇][Jvm _Jvm _-]

【4】：[给，你们想要的排查问题的可视化工具][Link 1]

[JConsole]: /images/20221022/0669da0c550242ab8b3d5ec34f61190b.png
[JConsole 1]: /images/20221022/39e8476a18e84ebfaa1b1bf0f30956a3.png
[JConsole 2]: /images/20221022/6ec5a8142eb44ea1aa2bab0e9de08e42.png
[Eden]: /images/20221022/f1fbc5d40b044767a7c59f9f63b89624.png
[JConsole 3]: /images/20221022/35198a26d5804c1b99a9c624ed44aeb0.png
[e3732485cb27a2b3cda2eef6d096c4f1.png]: /images/20221022/8a521335d31b47859c70ded097bdafa9.png
[fb76a82c4fbda89367ce18c402ad4cf0.png]: /images/20221022/198b61ab45034ef3aa1cac5a9c0a39cb.png
[VM]: /images/20221022/69953f04d5e848b685bd225213b11af4.png
[VisualVM]: /images/20221022/7931cb6469044bd5a460c1936a127efc.png
[VisualVM 1]: /images/20221022/71f0305adc214b79a4cbe766f7a5e038.png
[Dump]: /images/20221022/ca63ffc408ca48fa903103b52cb05847.png
[VisualVM 2]: /images/20221022/039fbd9c21fb4dd09b5cfda4b09c8e79.png
[VisualVM 3]: /images/20221022/a4f19311e2fc4343b8fc216d02e62519.png
[VisualVM CPU]: /images/20221022/f7bf2aa90e244e12a81806518949fc98.png
[VisualVM 4]: /images/20221022/dc3c5be779394bde9c2bbf95f8993eec.png
[BTrace]: /images/20221022/3771ae561742406995466b39e6118998.png
[image-20210407231817248]: /images/20221022/628aebf8a8d9463fa3b6665da9b51567.png
[image-20210407231851293]: /images/20221022/082d1578ee7e48c2b3b64e9bca997993.png
[image-20210407233504006]: /images/20221022/8efb15ebe18d4807bae112705664fdb2.png
[JMC]: /images/20221022/819233b22bb34cb2a45d988ce3fa8b7c.png
[MBean]: /images/20221022/f02b16cb701a427fac1b0418bde7314b.png
[image-20210408000854241]: /images/20221022/2ec0726888fa4cb3841c95129c214174.png
[image-20210408001133160]: /images/20221022/6fa8f1a964244ec4b9cf7adeb5dcf11c.png
[Jvm _Jvm _-]: http://www.ityouknow.com/jvm/2017/09/22/jvm-tool.html
[Link 1]: https://segmentfault.com/a/1190000038225249