JVM 第四篇：可視化 JVM 故障處理工具

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本文內(nèi)容過(guò)于硬核，建議有 Java 相關(guān)經(jīng)驗(yàn)人士閱讀。

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1. 可視化工具

在 JDK 中為我們提供了大量的 JVM 故障處理工具，都在 JDK 的 bin 目錄下：

這其中除了大量的命令行工具以外，還為我們提供了更加方便快捷的可視化工具，主要是以下這 4 個(gè)：

• JConsole: 最古老的工具，早在 JDK 5 時(shí)期就已經(jīng)存在的虛擬機(jī)監(jiān)控工具。
• JHSDB: 名義上在 JDK 9 中才正式提供，但之前已經(jīng)以 sa-jdi.jar 包里面的 HSDB（可視化工具） 和 CLHSDB（命令行工具） 的形式存在了很長(zhǎng)一段時(shí)間。
• VisualVM: 在 JDK 6 Update 7 中首次發(fā)布，直到 JRockit Mission Control 與 OracleJDK 的融合工作完成之前，它都曾是 Oracle 主力推動(dòng)的多合一故障處理工具，現(xiàn)在它已經(jīng)從 OracleJDK 中分離出來(lái)，成為一個(gè)獨(dú)立發(fā)展的開(kāi)源項(xiàng)目。
• JMC: Java Mission Control ，曾經(jīng)是大名鼎鼎的來(lái)自 BEA 公司的圖形化診斷工具，隨著 BEA 公司被 Oracle 收購(gòu)，它便被融合進(jìn) OracleJDK 之中。在 JDK 7 Update 40 時(shí)開(kāi)始隨 JDK 一起發(fā)布，后來(lái) Java SE Advanced 產(chǎn)品線建立， Oracle 明確區(qū)分了 Oracle OpenJDK 和 OracleJDK 的差別， JMC 從 JDK 11 開(kāi)始又被移除出 JDK 。

2. HSDB

HSDB（Hotspot Debugger） 是 JDK 自帶的工具，用于查看 JVM 運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。

使用方式由于在 JDK 9 之前沒(méi)有正式提供，所以也未在 JDK 的 bin 目錄下提供直接可執(zhí)行文件，需要在命令行執(zhí)行命令才能啟動(dòng)。

首先在命令行中先 cd 至 C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_221\lib 目錄，然后執(zhí)行：

java?-cp?.\sa-jdi.jar?sun.jvm.hotspot.HSDB

我在執(zhí)行這句命令的時(shí)候報(bào)了個(gè)錯(cuò):

Exception?in?thread?"Thread-1"?java.lang.UnsatisfiedLinkError:?Can't?load?library:?C:\Program?Files\Java\jdk-11.0.4\bin\sawindbg.dll
????????at?java.base/java.lang.ClassLoader.loadLibrary(ClassLoader.java:2620)
????????at?java.base/java.lang.Runtime.load0(Runtime.java:767)
????????at?java.base/java.lang.System.load(System.java:1831)
????????at?sun.jvm.hotspot.debugger.windbg.WindbgDebuggerLocal.(WindbgDebuggerLocal.java:661)
????????at?sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.setupDebuggerWin32(HotSpotAgent.java:567)
????????at?sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.setupDebugger(HotSpotAgent.java:335)
????????at?sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.go(HotSpotAgent.java:304)
????????at?sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.attach(HotSpotAgent.java:140)
????????at?sun.jvm.hotspot.HSDB.attach(HSDB.java:1184)
????????at?sun.jvm.hotspot.HSDB.access$1700(HSDB.java:53)
????????at?sun.jvm.hotspot.HSDB$25$1.run(HSDB.java:456)
????????at?sun.jvm.hotspot.utilities.WorkerThread$MainLoop.run(WorkerThread.java:66)
????????at?java.base/java.lang.Thread.run(Thread.java:834)

含義是有一個(gè) sawindbg.dll 在 jdk 的目錄下找不到，因?yàn)槲冶镜赜卸鄠€(gè) jdk ，配置環(huán)境變量的是 jdk 11 ，我在 jdk 8 的 jre 的 bin 目錄下找到了這個(gè)文件，直接 copy 到 jdk 11 的bin 目錄下解決此問(wèn)題。

執(zhí)行完成后會(huì)打開(kāi)這么個(gè)界面：

接下來(lái)，我們寫(xiě)一小段測(cè)試代碼：

public?abstract?class?A?{
????public?void?printMe()?{
????????System.out.println("I?am?A?class");
????}
????public?abstract?void?sayHello();
}

public?class?B?extends?A?{
????@Override
????public?void?sayHello()?{
????????System.out.println("I?am?B?class");
????}
}

public?class?HSDB_Test?{
????public?static?void?main(String[]?args)?throws?IOException?{
????????A?obj?=?new?B();
????????//?無(wú)意義，單純用作卡住主線程，防止線程結(jié)束
????????System.in.read();
????????System.out.println(obj);
????}
}

首先在命令行中使用命令 jps -l 查看 Java 進(jìn)程的 pid ：

PS?C:\Users\inwsy>?jps?-l
1648?com.geekdigging.lesson04.jvmtools.HSDB_Test
8704
9280?org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
14724?jdk.jcmd/sun.tools.jps.Jps
3220?org/netbeans/Main
15144
20572?org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
7548?sun.jvm.hotspot.HSDB

可以看到，我們剛寫(xiě)的測(cè)試方法的 pid 是 1648 ，在 HSDB 中點(diǎn)擊 File > Attach to Hotspot process ：

第一個(gè)看到的就是當(dāng)前進(jìn)程中的線程：

到這里，我們的準(zhǔn)備工作就已經(jīng)結(jié)束，接著我們使用 Tools > Class Browser 找到對(duì)象 B 的內(nèi)存地址：

圖中紅框框起來(lái)的是我自己寫(xiě)的三個(gè)類，可以看到我這里 B 的內(nèi)存地址是 0x00000007c0060c18 。

接下來(lái)，使用 Tools > Inspector 查看這個(gè)對(duì)象的詳細(xì)信息：

vtable 是虛表方法，這里我們看到 class B 有 7 個(gè)虛表方法，因?yàn)樗械膶?duì)象都繼承自 Object ，所以 B 繼承了 Object 的 5 個(gè)方法，然后還繼承了 A 的一個(gè)方法，自己重寫(xiě)了一個(gè)方法，總共是 7 個(gè)方法。

這個(gè)我們可以進(jìn)行一下驗(yàn)證，可以在 Windows > Console 中使用 mem 命令進(jìn)行查看。

那么我們可以開(kāi)始計(jì)算， vtable 是在 instanceKlass 對(duì)象實(shí)例的尾部，而 instanceKlass 大小在 64 位系統(tǒng)的大小為 0x1B8 ，因此 vtable 的起始地址等于 instanceKlass 的內(nèi)存首地址加上 0x1B8 等于 7C0060DD0 。

接下來(lái)，我們?cè)?Windows > Console 中使用 mem 命令進(jìn)行驗(yàn)證：

第一列是方法實(shí)際在堆中的內(nèi)存地址，第二列則是內(nèi)存指針地址，我們可以將拿到的內(nèi)存指針地址去 A ， B 和 Object 中分別查看，可以看到前 5 行對(duì)應(yīng)的是 Object 的方法，第 6 行對(duì)應(yīng)的是 A 對(duì)象中的方法，第 7 行則對(duì)應(yīng) B 對(duì)象中的方法。

3. JConsole

JConsole（Java Monitoring and Management Console） 是一款基于 JMX（Java Manage-ment Extensions） 的可視化監(jiān)視、管理工具。它的主要功能是通過(guò) JMX 的 MBean（Managed Bean） 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行信息收集和參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

JConsole 位于 JDK/bin 這個(gè)目錄下，直接雙擊 jconsole.exe 就可以直接啟動(dòng)，在啟動(dòng)之后，會(huì)自動(dòng)搜索出當(dāng)前在本機(jī)運(yùn)行的所有虛擬機(jī)進(jìn)程。

這里可以看到我本機(jī)目前運(yùn)行了一個(gè) JConsole ，一個(gè) idea ，還有一個(gè)啟動(dòng)的 tomcat 的源碼。

隨便雙擊一個(gè)服務(wù)，進(jìn)入主頁(yè)面：

可以看到主界面里共包括概述、內(nèi)存、線程、類、 VM 摘要、 MBean 六個(gè)頁(yè)簽。

還是來(lái)個(gè)小示例，我們來(lái)了解下它的監(jiān)控功能。

public?class?MonitoringTest?{
????//?內(nèi)存占位對(duì)象，一個(gè)對(duì)象大約?64KB
????static?class?OOMObject?{
????????public?byte[]?placeholder?=?new?byte[64?*?1024];
????}

????public?static?void?fillHeap(int?nums)?throws?InterruptedException?{
????????List?list?=?new?ArrayList<>();
????????for?(int?i?=?0;?i?????????????Thread.sleep(50);
????????????list.add(new?OOMObject());
????????}
????????System.gc();
????}

????public?static?void?main(String[]?args)?throws?InterruptedException?{
????????fillHeap(1000);
????}
}

這個(gè)案例是使用大約 64KB/50ms 的速度向 Java 堆中填充數(shù)據(jù)，一共填充 1000 次。

程序執(zhí)行后可以看到，在整個(gè) Java 堆中，曲線一直是平滑向上的。

切換到內(nèi)存標(biāo)簽頁(yè)，查看 Eden 后可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè) Eden 的圖形是一個(gè)折線：

再切換到 Gen ，可以看到整個(gè)老年代也是折疊向上的：

我們已經(jīng)在代碼里加了 System.gc() ，為什么看起來(lái)沒(méi)生效呢？

因?yàn)?System.gc() 是在 fillHeap() 方法中的，在 GC 的時(shí)候，還在作用域中，想要正?；厥绽夏甏?，需要將 System.gc() 這段代碼轉(zhuǎn)移到 fillHeap() 外面。

先修改下代碼：

public?static?void?main(String[]?args)?throws?InterruptedException?{
????fillHeap(1000);
????System.gc();
????//?GC?后停頓?3s?，方便觀察圖像
????Thread.sleep(3000);
}

可以看到在最后進(jìn)程結(jié)束的時(shí)候， Gen 的柱狀圖已經(jīng)沒(méi)有內(nèi)存占用了，內(nèi)存回收成功。

3. VisualVM

VisualVM（All-in-One Java Troubleshooting Tool）是功能最強(qiáng)大的運(yùn)行監(jiān)視和故障處理程序之一，曾經(jīng)在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)是 Oracle 官方主力發(fā)展的虛擬機(jī)故障處理工具。

VisualVM 同樣在 JDK/bin 這個(gè)目錄下，雙擊 jvisualvm.exe 即可運(yùn)行。在啟動(dòng)之后，直接在左側(cè)會(huì)顯示當(dāng)前在本機(jī)運(yùn)行的所有虛擬機(jī)進(jìn)程。

VisualVM 基于 NetBeans 平臺(tái)開(kāi)發(fā)工具，所以一開(kāi)始它就具備了通過(guò)插件擴(kuò)展功能的能力，有了插件擴(kuò)展支持， VisualVM 可以做到：

• 顯示虛擬機(jī)進(jìn)程以及進(jìn)程的配置、環(huán)境信息（jps、jinfo）。
• 監(jiān)視應(yīng)用程序的處理器、垃圾收集、堆、方法區(qū)以及線程的信息（jstat、jstack）。
• dump 以及分析堆轉(zhuǎn)儲(chǔ)快照（jmap、jhat）。
• 方法級(jí)的程序運(yùn)行性能分析，找出被調(diào)用最多、運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的方法。
• 離線程序快照：收集程序的運(yùn)行時(shí)配置、線程 dump 、內(nèi)存 dump 等信息建立一個(gè)快照，可以將快照發(fā)送開(kāi)發(fā)者處進(jìn)行 Bug 反饋。
• 其他插件帶來(lái)的無(wú)限可能性。

VisualVM 的插件可以在 工具->插件 中聯(lián)網(wǎng)后直接安裝。

我這里只安裝了兩個(gè)最常用的，一個(gè)是 GC 監(jiān)控的插件，還有一個(gè)可以動(dòng)態(tài)插入調(diào)試程序的插件。

我這里使用最常用的開(kāi)發(fā)工具 IDEA 啟動(dòng)過(guò)程演示一下通過(guò) VisualVM 監(jiān)控程序 GC 。

首先我們啟動(dòng) IDEA ，直到 IDEA 可以正常操作，看下 VisualVM 的 GC 監(jiān)控。

在主信息面板，可以看到 IDEA 所使用 JVM 的版本信息，可以看到具體的 JAVA_HOME 路徑，還可以看到具體的 JVM 參數(shù)，這里可以看到 IDEA 啟動(dòng)時(shí)設(shè)置的默認(rèn)最小堆和最大堆內(nèi)存的設(shè)置分別是 128MB 和 750 MB ，所使用的垃圾回收器則是 CMS 收集器。

然后點(diǎn)擊 Visual GC，可以看到：

在啟動(dòng)過(guò)程中， Class 加載消耗了 28s 左右，而 Class 編譯則消耗了 35s 。并且在這個(gè)過(guò)程中， Minor GC 被觸發(fā)了 149 次，消耗只有 713ms ，我們更加關(guān)注的 Full GC 更是一次都沒(méi)有觸發(fā)，消耗為 0 。

因?yàn)?IDEA 默認(rèn)使用的是 CMS 收集器，如果我們換成 G1 收集器會(huì)不會(huì)更快一些呢？

首先，找到 IDEA 的配置文件，我的 IDEA 是通過(guò) Toolbox 進(jìn)行安裝的，所以我的 IDEA 的配置文件的路徑有點(diǎn)奇怪 D:\Program Files\JetBrains\apps\IDEA-U\ch-0\202.7660.26.vmoptions 。

先把這個(gè)文件備份到桌面一個(gè)，防止改壞了導(dǎo)致 IDEA 不能使用。

刪掉現(xiàn)有的垃圾回收器配置 -XX:+UseConcMarkSweepGC ，增加 G1 收集器的配置：

-XX:+UseG1GC

其余的配置不做修改，直接關(guān)閉 IDEA 重啟，再看下 GC 情況。

首先先看下主面板，看下我們的 GC 收集器是否已經(jīng)切換成功：

然后再看下 GC 面板：

Minor GC 竟然被觸發(fā)了 271 次，而且消耗達(dá)到了 853ms ，好吧，看來(lái)在客戶端還是更適合使用 CMS 做為垃圾回收器。

我們?cè)傩薷南?-Xmx 這個(gè)配置，將配置的大小縮減為現(xiàn)在的一半，再把 GC 換回原有的 CMS ，看下 Full GC 的情況：

可以看到， Full GC 整整發(fā)生了 46 次，并且耗時(shí)超過(guò)了 21s ，而且這是 IDEA 的界面上也開(kāi)始彈出警告，警告我們內(nèi)存不足了，需要調(diào)整。

嚇得我趕緊改回了原有配置，順便把 -Xmx 的大小加到了 1024 ，盡量減少 Full GC 的情況。

4. Java Mission Control

JMC 同樣在 JDK/bin 這個(gè)目錄下，雙擊 jmc.exe 即可運(yùn)行。

打開(kāi)后在 JVM 瀏覽器面板中有兩個(gè)選項(xiàng)，一個(gè)是 MBean ，一個(gè)是 JFR 飛行記錄器。

關(guān)于 MBean 這部分?jǐn)?shù)據(jù)，與 JConsole 和 VisualVM 上取到的內(nèi)容是一樣的，只是展示形式上有些差別，就不多說(shuō)了。

雙擊「飛行記錄器」，將會(huì)出現(xiàn)「飛行記錄器」窗口（如果第一次使用，還會(huì)收到解鎖商業(yè)功能的警告窗）。

注意：在使用前需要在 JVM 中增加如下兩個(gè)參數(shù)，含義是解鎖 JFR 功能的鎖定。

-XX:+UnlockCommercialFeatures
-XX:+FlightRecorder

飛行記錄報(bào)告里包含以下幾類信息：

• 一般信息：關(guān)于虛擬機(jī)、操作系統(tǒng)和記錄的一般信息。
• 內(nèi)存：關(guān)于內(nèi)存管理和垃圾收集的信息。
• 代碼：關(guān)于方法、異常錯(cuò)誤、編譯和類加載的信息。
• 線程：關(guān)于應(yīng)用程序中線程和鎖的信息。
• I/O：關(guān)于文件和套接字輸入、輸出的信息。
• 系統(tǒng)：關(guān)于正在運(yùn)行Java虛擬機(jī)的系統(tǒng)、進(jìn)程和環(huán)境變量的信息。
• 事件：關(guān)于記錄中的事件類型的信息，可以根據(jù)線程或堆棧跟蹤，按照日志或圖形的格式查看。

5. 小結(jié)

這 4 款可視化工具看下來(lái)，個(gè)人感覺(jué)還是最后一個(gè) JMC 對(duì)使用者來(lái)講最友好， MBean 數(shù)據(jù)源展示了大量的當(dāng)前 JVM 的信息，而且全都以圖表的形式進(jìn)行了展現(xiàn)，更加給力還是它的 JFR 功能，可以記錄一段時(shí)間內(nèi)所有的操作，并且以圖表的形式進(jìn)行展現(xiàn)，對(duì)我們分析問(wèn)題時(shí)候的幫助無(wú)疑是巨大的。

當(dāng)然，喜歡用哪款工具完全是個(gè)人喜好，比如 VisualVM 也很強(qiáng)大，可能它本身的功能沒(méi)那么強(qiáng)，但是它可以安裝插件，完全根據(jù)需要進(jìn)行插件的安裝，這個(gè)玩法非常 DIY ，總的算下來(lái)，我還是喜歡使用 VisualVM 更多一些。

參考

《深入理解Java虛擬機(jī)：JVM高級(jí)特性與最佳實(shí)踐_周志明》

https://www.cnblogs.com/alinainai/p/11070923.html