JVM性能分析

Arthas特性介绍

Arthas是Alibaba开源的Java诊断工具，深受开发者喜爱。在线排查问题，无需重启；动态跟踪Java代码；实时监控JVM状态。
Arthas支持JDK 6+，支持Linux/Mac/Windows，采用命令行交互模式，同时提供丰富的Tab自动补全功能，进一步方便进行问题的定位和诊断。

Arthas解决范畴

这个类从哪个 jar 包加载的？为什么会报各种类相关的 Exception？
我改的代码为什么没有执行到？难道是我没 commit？分支搞错了？
遇到问题无法在线上 debug，难道只能通过加日志再重新发布吗？
线上遇到某个用户的数据处理有问题，但线上同样无法 debug，线下无法重现！
是否有一个全局视角来查看系统的运行状况？
有什么办法可以监控到JVM的实时运行状态？
怎么快速定位应用的热点，生成火焰图？
怎样直接从JVM内查找某个类的实例？

Arthas快速开始

使用arthas-boot(推荐)

下载arthas-boot.jar，然后用java -jar的方式启动：

下载文件

curl -O https://arthas.aliyun.com/arthas-boot.jar
wget https://alibaba.github.io/arthas/arthas-boot.jar
复制代码

执行命令

java -jar arthas-boot.jar
复制代码

打印帮助信息：

java -jar arthas-boot.jar -h
复制代码

如果下载速度比较慢，可以使用aliyun的镜像：

java -jar arthas-boot.jar --repo-mirror aliyun --use-http
复制代码

使用as.sh

Arthas 支持在 Linux/Unix/Mac 等平台上一键安装：

curl -L https://arthas.aliyun.com/install.sh | sh
复制代码

下载启动脚本文件 as.sh 到当前目录，你可以放在任何地方或将其加入到 $PATH 中。
直接在shell下面执行./as.sh，就会进入交互界面。
也可以执行./as.sh -h来获取更多参数信息。

Arthas基础指令

dashboard

在Arthas的命令行界面，输入dashboard，会实时展示当前JVM应用服务的多线程状态、JVM各内存区域、GC情况等信息。

参数信息

数据说明

ID: Java级别的线程ID，注意这个ID不能跟jstack中的nativeID一一对应。
NAME: 线程名
GROUP: 线程组名
PRIORITY: 线程优先级, 1~10之间的数字，越大表示优先级越高
STATE: 线程的状态
CPU%: 线程的cpu使用率。

比如采样间隔1000ms，某个线程的增量cpu时间为100ms，则cpu使用率=100/1000=10%

DELTA_TIME: 上次采样之后线程运行增量CPU时间，数据格式为秒
TIME: 线程运行总CPU时间，数据格式为分:秒
INTERRUPTED: 线程当前的中断位状态
DAEMON: 是否是daemon线程

JVM内部线程

**Java8之后支持获取JVM内部线程CPU时间，这些线程只有名称和CPU时间，没有ID及状态等信息（显示ID为-1）。 **
内部线程观测到JVM活动，如GC、JIT编译等占用CPU情况，方便了解JVM整体运行状况。
当JVM堆(heap)/元数据(metaspace)空间不足或OOM时，可以看到GC线程的CPU占用率明显高于其他的线程。

当执行trace/watch/tt/redefine等命令后，可以看到JIT线程活动变得更频繁。因为JVM热更新class字节码时清除了此class相关的JIT编译结果，需要重新编译。

JVM内部线程包括下面几种：

JIT编译线程: 如 C1 CompilerThread0, C2 CompilerThread0
GC线程: 如GC Thread0, G1 Young RemSet Sampling
其它内部线程: 如VM Periodic Task Thread, VM Thread, Service Thread

thread

查看当前线程信息，查看线程的堆栈。

参数说明

cpu使用率是如何统计出来的？

cpu使用率与linux 命令top -H -p <pid> 的线程%CPU类似，一段采样间隔时间内，当前JVM里各个线程的增量cpu时间与采样间隔时间的比例。

实际案例

输入thread会显示所有线程的状态信息
输入thread -n 3会显示当前最忙的3个线程，可以用来排查线程CPU消耗
输入thread -b 会显示当前处于BLOCKED状态的线程，可以排查线程锁的问题

工作原理说明：

首先第一次采样，获取所有线程的CPU时间

java.lang.management.ThreadMXBean#getThreadCpuTime()
sun.management.HotspotThreadMBean.getInternalThreadCpuTimes()
复制代码

然后睡眠等待一个间隔时间（默认为200ms，可以通过 -i 指定间隔时间）
再次第二次采样，获取所有线程的CPU时间，对比两次采样数据，计算出每个线程的增量CPU时间

线程CPU使用率 = 线程增量CPU时间 / 采样间隔时间 * 100%

注意：这个统计也会产生一定的开销（JDK这个接口本身开销比较大），因此会看到as的线程占用一定的百分比，为了降低统计自身的开销带来的影响，可以把采样间隔拉长一些，比如5000毫秒。

最忙的前N个线程并打印堆栈：

没有线程ID，包含[Internal]表示为JVM内部线程，参考dashboard命令的介绍。
cpuUsage为采样间隔时间内线程的CPU使用率，与dashboard命令的数据一致。
deltaTime为采样间隔时间内线程的增量CPU时间，小于1ms时被取整显示为0ms。
time 线程运行总CPU时间。

输出所有相关的线程的明细：

thread -all

查看某个线程号对应的堆栈：

thread pid

查看指定状态的线程

thread –state

jvm

输入jvm，查看jvm详细的性能数据

Runtime

Memory/OperationSystem/Thread

jad

对类进行反编译:

getstatic

推荐直接使用ognl命令，更加灵活。
通过getstatic命令可以方便的查看类的静态属性。使用方法为getstatic class_name field_name

sc

查看JVM已加载的类信息。
“Search-Class” 的简写，这个命令能搜索出所有已经加载到 JVM 中的 Class 信息，这个命令支持的参数有 [d]、[E]、[f] 和 [x:]。

mc

Memory Compiler/内存编译器，编译.java文件生成.class。

mc /tmp/TestSample.java
复制代码

trace

通常说一个接口性能不好，其实就是接口响应时间比较长造成的，具体代码中哪个函数耗时比较长呢？可以使用trace功能来监控一下

解释：

-j 参数可以过滤掉jdk自身的函数

sc

查找JVM中已经加载的类

$ sc -d org.springframework.web.context.support.XmlWebApplicationContext
 class-info        org.springframework.web.context.support.XmlWebApplicationContext
 code-source       /Users/xxx/work/test/WEB-INF/lib/spring-web-3.2.11.RELEASE.jar
 name              org.springframework.web.context.support.XmlWebApplicationContext
 isInterface       false
 isAnnotation      false
 isEnum            false
 isAnonymousClass  false
 isArray           false
 isLocalClass      false
 isMemberClass     false
 isPrimitive       false
 isSynthetic       false
 simple-name       XmlWebApplicationContext
 modifier          public
 annotation
 interfaces
 super-class       +-org.springframework.web.context.support.AbstractRefreshableWebApplicationContext
                     +-org.springframework.context.support.AbstractRefreshableConfigApplicationContext
                       +-org.springframework.context.support.AbstractRefreshableApplicationContext
                         +-org.springframework.context.support.AbstractApplicationContext
                           +-org.springframework.core.io.DefaultResourceLoader
                             +-java.lang.Object
 class-loader      +-org.apache.catalina.loader.ParallelWebappClassLoader
                     +-java.net.URLClassLoader@6108b2d7
                       +-sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
                         +-sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1ddf84b8
 classLoaderHash   25131501
复制代码

sm

查看已加载类的方法信息

“Search-Method” 的简写，这个命令能搜索出所有已经加载了 Class 信息的方法信息。
sm 命令只能看到由当前类所声明 (declaring) 的方法，父类则无法看到。

$ sm java.lang.String
java.lang.String-><init>
java.lang.String->equals
java.lang.String->toString
java.lang.String->hashCode
java.lang.String->compareTo
java.lang.String->indexOf
java.lang.String->valueOf
java.lang.String->checkBounds
java.lang.String->length
java.lang.String->isEmpty
java.lang.String->charAt
java.lang.String->codePointAt
java.lang.String->codePointBefore
java.lang.String->codePointCount
java.lang.String->offsetByCodePoints
java.lang.String->getChars
java.lang.String->getBytes
java.lang.String->contentEquals
java.lang.String->nonSyncContentEquals
java.lang.String->equalsIgnoreCase
java.lang.String->compareToIgnoreCase
java.lang.String->regionMatches
java.lang.String->startsWith
java.lang.String->endsWith
java.lang.String->indexOfSupplementary
java.lang.String->lastIndexOf
java.lang.String->lastIndexOfSupplementary
java.lang.String->substring
java.lang.String->subSequence
java.lang.String->concat
java.lang.String->replace
java.lang.String->matches
java.lang.String->contains
java.lang.String->replaceFirst
java.lang.String->replaceAll
java.lang.String->split
java.lang.String->join
java.lang.String->toLowerCase
java.lang.String->toUpperCase
java.lang.String->trim
java.lang.String->toCharArray
java.lang.String->format
java.lang.String->copyValueOf
java.lang.String->intern
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stack

查看方法 test.arthas.TestSample#execute 的调用堆栈：

$ stack test.arthas.TestSample execute
Press Ctrl+C to abort.
Affect(class-cnt:1 , method-cnt:1) cost in 286 ms.
ts=2018-09-18 10:11:45;thread_name=http-bio-8080-exec-10;id=d9;is_daemon=true;priority=5;TCCL=org.apache.catalina.loader.ParallelWebappClassLoader@25131501
    @test.arthas.TestSample.execute()
        at javax.servlet.http.HttpServlet.service(HttpServlet.java:624)
        at javax.servlet.http.HttpServlet.service(HttpServlet.java:731)
        at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.internalDoFilter(ApplicationFilterChain.java:303)
        at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.doFilter(ApplicationFilterChain.java:208)
        at org.apache.tomcat.websocket.server.WsFilter.doFilter(WsFilter.java:52)
        at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.internalDoFilter(ApplicationFilterChain.java:241)
        at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.doFilter(ApplicationFilterChain.java:208)
        at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.internalDoFilter(ApplicationFilterChain.java:241)
        at org.apache.catalina.core.ApplicationFilterChain.doFilter(ApplicationFilterChain.java:208)
        at org.apache.catalina.core.StandardWrapperValve.invoke(StandardWrapperValve.java:220)
        at org.apache.catalina.core.StandardContextValve.invoke(StandardContextValve.java:110)
        ...
        at org.apache.catalina.core.StandardHostValve.invoke(StandardHostValve.java:169)
        at org.apache.catalina.valves.ErrorReportValve.invoke(ErrorReportValve.java:103)
        at org.apache.catalina.core.StandardEngineValve.invoke(StandardEngineValve.java:116)
        at org.apache.catalina.connector.CoyoteAdapter.service(CoyoteAdapter.java:451)
        at org.apache.coyote.http11.AbstractHttp11Processor.process(AbstractHttp11Processor.java:1121)
        at org.apache.coyote.AbstractProtocol$AbstractConnectionHandler.process(AbstractProtocol.java:637)
        at org.apache.tomcat.util.net.JIoEndpoint$SocketProcessor.run(JIoEndpoint.java:316)
        at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1142)
        at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:617)
        at org.apache.tomcat.util.threads.TaskThread$WrappingRunnable.run(TaskThread.java:61)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)
复制代码

retransform

加载外部的.class文件，retransform 热更新jvm已加载的类。

retransform /tmp/TestSample.class
retransform -c 327a647b /tmp/TestSample.class /tmp/Test\$Inner.class
复制代码

retransform指定的 .class 文件

$ retransform /tmp/TestSample.class
retransform success, size: 1, classes:
com.TestSample
复制代码

加载指定的 .class 文件，然后解析出class name，再retransform jvm中已加载的对应的类。每加载一个 .class 文件，则会记录一个 retransform entry。

如果多次执行 retransform 加载同一个 class 文件，则会有多条 retransform entry.

查看 retransform entry

$ retransform -l
Id              ClassName       TransformCount  LoaderHash      LoaderClassName
1               com.TestSample   1               null            null
复制代码

TransformCount 统计在 ClassFileTransformer#transform 函数里尝试返回 entry对应的 .class文件的次数，但并不表明transform一定成功。

删除指定 retransform entry

需要指定 id：
retransform -d 1
复制代码

删除所有 retransform entry

retransform --deleteAll 显式触发 retransform

$ retransform --classPattern com.TestSample
retransform success, size: 1, classes:
com.TestSample
复制代码

注意：对于同一个类，当存在多个 retransform entry时，如果显式触发 retransform ，则最后添加的entry生效(id最大的)。

消除 retransform 的影响

如果对某个类执行 retransform 之后，想消除影响，则需要：

删除这个类对应的 retransform entry

重新触发retransform

如果不清除掉所有的 retransform entry，并重新触发 retransform ，则arthas stop时，retransform过的类仍然生效。

【JVM性能分析】「Arthas技术专题」安装入门及基础指令介绍