揭密Java常用性能调优工具的底层实现原理

JAVA后端架构 09-16 613

前言：

此时看官们对“java后端接收list对象参数”大约比较关心，各位老铁们都需要知道一些“java后端接收list对象参数”的相关内容。那么小编也在网络上网罗了一些对于“java后端接收list对象参数””的相关文章，希望小伙伴们能喜欢，看官们一起来了解一下吧！

当Java虚拟机出现故障和性能问题时，我们通常会借助一些业界知名的工具来辅助排查问题。为了能更好的利用这些工具，我们通常需要对这些工具的实现原理有所了解，现有资料在介绍一些性能排查和故障诊断工具时，通常只会围绕这个工具的实现原理展开，例如Eclipse的MAT插件，主要是解读虚拟机的Dump文件。这篇文章将从虚拟机的角度展开，看看虚拟机到底能提供什么样的静态或运行时数据。对于HotSpot这款虚拟机来说，能提供的主要数据如下图所示。

下面就来简单介绍一下上图中9个部分的数据以及围绕这9部分数据做出来的调优工具。

1、虚拟机参数、系统变量等

如果要查看虚拟机参数或系统变量，可通过如下命令：

// 查看系统配置选项jcmd 5617 VM.flags// 查看虚拟机启动参数jcmd 5617 VM.command_line// 查看系统配置信息jcmd 5617 VM.system_properties

许多的虚拟机故障和调优都可通过调整虚拟机参数来达到目地，不过对于一般的Java开发人员来说，这并不是一项简单的工作，需要对虚拟机相关的运行原理有所了解。

针对虚拟机参数、系统变量等的调优工具有：

（1）VM Options Explorer

（2）HeapDump社区的XXFox

2、堆转储文件

堆转储文件可用来检索整个堆的快照，能够从这个文件中获取到活跃集合、对象的类型和数量，以及对象图的形状和结构等等，堆导出常用的2种方式如下：

（1）通过命令，在发生OOM时导出，可配置参数-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError -XX:HeapDumpPath=堆转储文件名

（2）Attach到目标进程后发送dump命令，jmap工具就是这样做的，通过命令jmap -dump:format=b,file=堆转储文件名 pid导出文件。如文件较大时，可通过添加live参数来有效缩小大小，如果要将堆转储文件转移到其它地方，最好压缩一下，堆转储文件的压缩比例相对较高。

分析堆转储文件的工具通常都能够给出类实例的数量、类实例的大小等，方便进行堆溢出、频繁GC等问题的排查。尤其是更多要关注类实例的数量和大小。假设GC频繁，那么需要重点关注那些类实例占用内存相对较大的；假设GC时间长，需要重点关注实例数量较多的，因为可能活跃的实例较多，标注的时间就会长一些。

分析堆转储文件的工具有：

（1）Eclipse MAT

（2）HeapDump社区的XElephant

（3）HeapHero

3、线程调用栈

通过JDK自带的工具jstack可以导出HotSpot VM的线程栈，这些线程栈对于排查问题非常有帮助，不过导出的线程栈比较原始，拿到这些线程栈后可以做许多的事情，如：

从一次的堆栈信息中，我们可以直接获取以下信息：

是否有很多线程都在等待同一个锁，说明这个系统存在性能瓶颈，导致了锁竞争；当前线程的总数量，如果线程的总数量有几千上万个，那么大概率是线程泄漏；每一个线程的调用关系，当前线程在调用哪些函数，从而可看出一些性能比较影响大的一些方法；每个线程的当前状态，持有哪些锁，在等待哪些锁，是否产生了死锁，当某个锁的等待线程数很多时，很明显这就是系统瓶颈；大多数线程在干什么，在执行什么代码？

如果指定采样，则从多次采样的堆栈信息中，可以得到以下信息：

线程数不断上涨，可能是线程泄漏；是否总是存在同一个锁总是有等待的线程，如果有，说明锁是一个性能瓶颈；一个线程是否长期执行，如果每次打印堆栈某个线程一直处于同样的调用上下文中，那么说明这个线程一直执行这段代码，此时要根据代码逻辑检查，是否合理；通过多次堆栈信息，结合上火焰图能更容易定位出慢方法；

网络上最常见的通过线程调用栈分析的问题就是CPU使用率高的问题，通过top命令找到占用CPU最高的线程id，然后通过jstack来查看对应线程id的调用栈，不过有些工具可一步到位，例如usefulscripts的show-busy-java-threads脚本，还有Arthas的thread命令等。

分析线程调用栈的工具有：

（1）HeapDump社区的XSheepdog

（2）fastThread

（3）生成火焰图的async-profiler

async-profiler直接抓取的是C/C++栈的调用栈，如果要生成Java调用栈的火焰图，可通过jstack工具导出Java调用栈，然后整理成collapsed格式，利用async-profiler生成火焰图即可。

4、日志

日志是出了系统问题第一手的排查资料，尤其是开发人员自己记录的应用日志。

（1）业务日志

一般是应用的开发者根据不同的业务需求落日志，最终会通过大数据采集后进行存储，方便以报表的方式展现，也能辅助运营人员对业务做出优化。这一类数据对系统问题排查的帮助不大，可直接忽略。

（2）应用日志

应用可能会采集起来进行人工排查或监控。大多数开发人员在查找系统问题时，也应该重点关注这些系统日志，因为它包含应用程序编写的各种错误消息，警告或其他事件。这些消息可以提供与特定用例相关的详细信息。如

用例中发生的异常的堆栈跟踪。有关外部系统响应时间较慢的警告消息。用例被触发或完成的信息。

（3）系统日志

GC日志、Crash文件等属于JVM相关的系统日志。这里我们只介绍一下GC日志，因为它比较重要，记录的信息比较全面。需要配置GC参数来开启，如下：

Java 8版本：-XX:+PrintGC(或-verbose:gc) -XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCDateStamps -Xloggc:日志名称

Java 9及9+版本：-Xlog:gc*:file=日志名称

GC日志能够给出回收前后堆中各个代的大小、总堆的大小、GC发生的原因及GC所花费的时间等，连续监控GC日志能够得到GC发生的频次及内存分配率等。好多人有的问题就是，想要知道GC触发的原因，目前只能通过GC日志来查看，所以建议配置GC日志。

由于GC日志含有的数据指标多，而且日志没有一个标准的格式，所以要借助一些专业的日志解析工具查看，典型的分析工具如下：

（1）开源GCViewer

（2）GCeasy

（3）商用工具Censum

5、PerfData

对于HotSpot VM来说，会将一些统计信息写到一个叫PerfData的共享文件中，默认路径为/tmp/hsperfdata_<user>/。在我的本机上看一下/tmp/hsperfdata_<user>/目录下的内容：

其中的名称文件是pid，我们可以从/tmp/hsperfdata_<user>/<pid>这个特定的文件中获取相关数据。

JDK自带的工具jps就是直接读取这个目录下的文件名来列出所有的Java进程号。正常情况下当JVM进程退出的时候会自动删除，但是当执行kill -9命令时，由于JVM不能捕获这种信号，虽然JVM进程不存在了，但是这个文件还是存在的。这个文件不是一直存在的，当再次有JVM进程启动时会自动删除这些无用的文件。jps在读取/tmp/hsperfdata_<user>/路径下的文件名称时，也会通过attach的方式判断这个进程是否存活，这样就能保证读取出的是存活的进程。

JDK自带的工具jstat也是通过读取PerfData中特定的文件内容来实现的。由于PerfData文件是通过mmap的方式映射到了内存里，而jstat是直接通过DirectByteBuffer的方式从PerfData里读取的，所以只要内存里的值变了，那我们从jstat看到的值就会发生变化，内存里的值什么时候变，取决于-XX:PerfDataSamplingInterval这个参数，默认是50ms，也就是说50ms更新一次值，基本上可以认为是实时的了。基于PerfData实现的jstat，因为垃圾回收器会主动将jstat所需要的摘要数据保存至固定位置之中，所以只需直接读取即可。

jstat在读取相关内容时，需要知道键值对，查看键值对的方式如下：

jstat -J-Djstat.showUnsupported=true -snap 4726

或者直接查看jdk/src/share/classes/sun/tools/jstat/resources/jstat_options文件，其中给出了timestamp、class、compiler、gc、gccapacity、gccause、gcnew、gcnewcapacity、gcold、gcoldcapacity、gcmetacapacity、gcutil、printcompilation这几个大类中的相关信息。

相关的工具有：

（1）JDK自带的jconsole或VisualVM

（2）监控系统Spring Boot Actuator

（3）vjtools中的vjmxcli

7、JVMTI

JVMTI 本质上是对JVM内部的许多事件进行了埋点。通过这些埋点可以给外部提供当前上下文的一些信息。甚至可以接受外部的命令来改变下一步的动作。外部程序一般利用C/C++实现一个JVMTIAgent，在JVMTIAgent里面注册一些JVM事件的回调。当事件发生时JVMTI调用这些回调方法。JVMTIAgent可以在回调方法里面实现自己的逻辑。通过JVMTI，可以实现对JVM的多种操作，它通过接口注册各种事件勾子，在JVM事件触发时，同时触发预定义的勾子，以实现对各个JVM事件的响应，事件包括类文件加载、异常产生与捕获、线程启动和结束、进入和退出临界区、成员变量修改、GC开始和结束、方法调用进入和退出、临界区竞争与等待、VM启动与退出等等。

另外还有一种是JavaAgent，其底层的实现就是利用了JVMTI，不过可以使用Java语言来实现，但是功能没有JVMTIAgent强大。

现在假设有一个需求，监控应用抛出的异常，如果出现异常，就在监控系统中提醒，这时候就需要JVMTI来实现了。

使用C++编写JVMTIAgent，分别实现Agent_OnLoad()和Agent_OnUnload()函数，另外注册异常回调函数，在发生异常时，打印异常的详细信息，实现如下：

#include <iostream>#include <cstring>#include "jvmti.h" using namespace std; //异常回调函数static void JNICALL callbackException( jvmtiEnv *jvmti_env, JNIEnv  *env, jthread thr, jmethodID methodId, jlocation location, jobject exception, jmethodID catch_method, jlocation catch_location) {     // 得到方法对应的类    jclass clazz;    jvmti_env->GetMethodDeclaringClass(methodId, &clazz);     // 得到类的签名    char *class_signature;    jvmti_env->GetClassSignature(clazz, &class_signature, nullptr);     //异常类名称    char *exception_class_name;    jclass exception_class = env->GetObjectClass(exception);    jvmti_env->GetClassSignature(exception_class, &exception_class_name, nullptr);     // 得到方法名称    char *method_name_ptr, *method_signature_ptr;    jvmti_env->GetMethodName(methodId, &method_name_ptr, &method_signature_ptr, nullptr);     //获取目标方法的起止地址和结束地址    jlocation start_location_ptr;    //方法的起始位置    jlocation end_location_ptr;      //用于方法的结束位置    jvmti_env->GetMethodLocation(methodId, &start_location_ptr, &end_location_ptr);     //输出测试结果    cout << "测试结果-定位类的签名：" << class_signature << endl;    cout << "测试结果-定位方法信息：" << method_name_ptr << " -> " << method_signature_ptr << endl;    cout << "测试结果-定位方法位置：" << start_location_ptr << " -> " << end_location_ptr + 1 << endl;    cout << "测试结果-异常类的名称：" << exception_class_name << endl;     cout << "测试结果-输出异常信息(能够分析行号)：" << endl;    jclass throwable_class = (*env).FindClass("java/lang/Throwable");    jmethodID print_method = (*env).GetMethodID(throwable_class, "printStackTrace", "()V");    (*env).CallVoidMethod(exception, print_method);} // Agent_OnLoad函数，如果agent是在启动的时候加载的，也就是在vm参数里通过-agentlib来指定，那在启动过程中就会去执行这个agent里的Agent_OnLoad函数JNIEXPORT jint JNICALL Agent_OnLoad(JavaVM *vm,char *options,void *reserved) {    cout << "Agent_OnLoad(" << vm << ")" << endl;     jvmtiEnv *gb_jvmti = nullptr;    //初始化    vm->GetEnv(reinterpret_cast<void **>(&gb_jvmti), JVMTI_VERSION_1_0);    // 建立一个新的环境    jvmtiCapabilities caps;    memset(&caps, 0, sizeof(caps));    caps.can_signal_thread = 1;    caps.can_get_owned_monitor_info = 1;    caps.can_generate_method_entry_events = 1;    caps.can_generate_exception_events = 1;    caps.can_generate_vm_object_alloc_events = 1;    caps.can_tag_objects = 1;    // 设置当前环境    gb_jvmti->AddCapabilities(&caps);    // 建立一个新的回调函数    jvmtiEventCallbacks callbacks;    memset(&callbacks, 0, sizeof(callbacks));    //异常回调    callbacks.Exception = &callbackException;    // 设置回调函数    gb_jvmti->SetEventCallbacks(&callbacks, sizeof(callbacks));    // 开启事件监听(JVMTI_EVENT_EXCEPTION)    gb_jvmti->SetEventNotificationMode(JVMTI_ENABLE, JVMTI_EVENT_EXCEPTION, nullptr);    return JNI_OK;}// Agent_OnUnload函数，在agent做卸载的时候调用，不过貌似基本上很少实现它JNIEXPORT void JNICALL Agent_OnUnload(JavaVM *vm) { }

通过相关命令将如上代码编写为动态链接库，如下：

g++ -std=c++11 -Wall -fPIC -c TestException.cpp -I ./  -I /home/mazhi/workspace/jdk1.8.0_192/include/linux/ -I /home/mazhi/workspace/jdk1.8.0_192/include/g++ -Wall -rdynamic -shared -o libdiaoyong.so TestException.o

相关命令就不再过多解释，有兴趣可自行查阅相关资料。　

现在编写一个抛出异常的Java应用，如下：

public class CatchAllException {    public static void main(String[] args) throws Exception {        try {            throw new NullPointerException("空指针异常");        } catch (Exception e) {            // e.printStackTrace();        }    }}

在启动Java应用时，为虚拟机配置参数-agentpath:/home/mazhi/workspace/projectcplusplus/TestException/src/libdiaoyong.so，打印的异常信息如下：

测试结果-定位类的签名：LCatchAllException;测试结果-定位方法信息：main -> ([Ljava/lang/String;)V测试结果-定位方法位置：0 -> 12测试结果-异常类的名称：Ljava/lang/NullPointerException;测试结果-输出异常信息(能够分析行号)：java.lang.NullPointerException: 空指针异常    at CatchAllException.main(CatchAllException.java:9)

如上功能的实现要依赖于JVMTI这套接口，有了这套接口能够做出许多重要的功能。

JVMTI接口的中文文档：

另外还有JavaAgent，他是JVMTIAgent的一个特例，可做的操作有限，但好处就是可用Java语言来实现。下面举一个JavaAgent的例子。创建一个Maven工程，编写JavaAgent，实现如下：

package lesson5.example1;// ...public class MyAgent {    public static void premain(String agentArgs, Instrumentation inst) throws Throwable {        System.out.println("loading static agent...");        MyTransformer monitor = new MyTransformer();        inst.addTransformer(monitor);    }}

编写Transformer，如下：

package lesson5.example1;// ...public class MyTransformer implements ClassFileTransformer {    public byte[] transform(            ClassLoader loader,             String className,             Class<?> classBeingRedefined,            ProtectionDomain protectionDomain,             byte[] classfileBuffer ) throws IllegalClassFormatException {         ClassReader cr = new ClassReader(classfileBuffer);        ClassNode classNode = new ClassNode(Opcodes.ASM6);        cr.accept(classNode, ClassReader.SKIP_FRAMES);         for (MethodNode methodNode : classNode.methods) {            if ("main".equals(methodNode.name)) {                InsnList instrumentation = new InsnList();                instrumentation                        .add(new FieldInsnNode(Opcodes.GETSTATIC, "java/lang/System", "out", "Ljava/io/PrintStream;"));                instrumentation.add(new LdcInsnNode("Hello, Instrumentation!"));                instrumentation.add(new MethodInsnNode(Opcodes.INVOKEVIRTUAL, "java/io/PrintStream", "println",                        "(Ljava/lang/String;)V", false));                 methodNode.instructions.insert(instrumentation);                break;            }        }         ClassWriter cw = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_FRAMES | ClassWriter.COMPUTE_MAXS);        classNode.accept(cw);        return cw.toByteArray();    }}

然后在Maven中配置：

<plugin>    <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>    <artifactId>maven-assembly-plugin</artifactId>    <executions>        <execution>            <goals>                <goal>single</goal>            </goals>            <phase>package</phase>            <configuration>                <descriptorRefs>                    <descriptorRef>jar-with-dependencies</descriptorRef>                </descriptorRefs>                <archive>                    <manifestEntries>                        <Premain-Class>lesson5.example1.MyAgent</Premain-Class>                         <Can-Redefine-Classes>true</Can-Redefine-Classes>                        <Can-Retransform-Classes>true</Can-Retransform-Classes>                    </manifestEntries>                </archive>            </configuration>        </execution>    </executions></plugin>

在运行Maven Install后，会在target目录下生成一个jar包，这就是JavaAgent，我们可以在启动任何一个Java应用启动时，通过-javaagent参数来指定JavaAgent，如下：

public class Test {    public static void main(String args[]){        System.out.println("execute main method ...");    }}

运行结果如下：

Hello, Instrumentation!

execute main method ...

可以看到，通过JavaAgent对原有的Test类生成的字节码程序进行了增强，这就让我们的想像空间变的非常大，因为你可以更改任何方法体中的字节码，甚至替换整个类。例如，可以在字节码前后打印时间，这样就能输出调用方法的耗时；可以给整个方法体增加异常捕获的try-catch，在不修改、不重新部署应用程序的情况下修复某些Bug等等。　　

有些资料总结了Agent可以实现的功能，如下：

1、使用JVMTI对Class文件加密

有时一些涉及到关键技术的Class文件或者jar包不希望对外暴露，所以需要加密。使用一些常规的手段（例如使用混淆器或者自定义类加载器）来对Class文件进行加密很容易被反编译。反编译后的代码虽然增加了阅读的难度，但花费一些功夫也是可以读懂的。使用JVMTI可以将解密的代码封装成.dll或.so 文件。这些文件想要反编译就很麻烦了。不过个人认为，这样并不能完全避免代码泄漏，不要忘记Agent中提供的一些API，这些API能够将加载到虚拟机中的Class文件的内容Dump出来。

2、使用JVMTI实现应用性能监控（APM）

在微服务大行其道的环境下，分布式系统的逻辑结构变得越来越复杂。这给系统性能分析和问题定位带来了非常大的挑战。基于JVMTI的APM能够解决分布式架构和微服务带来的监控和运维上的挑战。APM通过汇聚业务系统各处理环节的实时数据，分析业务系统各事务处理的交易路径和处理时间，实现对应用的全链路性能监测。