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

2019/1/7 posted in  Debug
优雅先生 2014/01/28

原文地址 https://my.oschina.net/feichexia/blog/196575

    现实企业级 Java 开发中,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。本文参考了网上很多资料,难以一一列举,在此对这些资料的作者表示感谢!关于 JVM 性能调优相关的资料,请参考文末。

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 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。

其他 JVM 性能调优参考资料:

《Java 虚拟机规范》

《Java Performance》

《Trouble Shooting Guide for JavaSE 6 with HotSpot VM》: http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tsg-vm-149989.pdf 

《Effective Java》

VisualVM: http://docs.oracle.com/javase/7/docs/technotes/guides/visualvm/

jConsole: http://docs.oracle.com/javase/1.5.0/docs/guide/management/jconsole.html

Monitoring and Managing JavaSE 6 Applications: http://www.oracle.com/technetwork/articles/javase/monitoring-141801.html

BTrace:https://kenai.com/projects/btrace