JVM工作原理与实战(三十五):性能调优

简介: JVM作为Java程序的运行环境,其负责解释和执行字节码,管理内存,确保安全,支持多线程和提供性能监控工具,以及确保程序的跨平台运行。本文主要介绍了性能调优、性能调优案例等内容。

一、性能调优

在应用程序的运行过程中,性能问题是一个常见且复杂的问题。为了确保应用程序的高效运行,开发人员需要对性能进行细致的调优。以下是常见的性能问题及其现象:

  • 高CPU占用率:通过top命令观察到CPU占用率居高不下,甚至在多核环境下超过100%。这可能表明应用程序存在计算密集型问题或资源争用。
  • 服务响应时间长:某些请求的处理时间异常延长,需要借助监控系统如Skywalking来定位是哪个服务或环节出现了性能瓶颈。
  • 运行时异常:程序启动后运行正常,但一段时间后无法处理任何请求。内存和垃圾回收(GC)正常,这可能涉及到线程阻塞、资源泄漏或其他非内存相关的问题。

1.性能调优方法

线程转储查看:线程转储(Thread Dump)为开发人员提供了当前所有运行中线程的状态快照。通过工具如jstackvisualvm,可以深入了解线程的详细信息,例如线程名、优先级、ID以及其执行栈。这些信息对于诊断CPU占用率高、死锁等问题非常关键。

线程转储核心内容:

  • 名称 (Name):为线程设置合适的名称,有助于快速识别其作用。
  • 优先级 (Prio):线程的执行优先级。
  • Java ID (tid):JVM中线程的唯一标识。
  • 本地ID (nid):操作系统分配给线程的唯一ID。
  • 状态 (State):描述线程当前的状态,如NEW、RUNNABLE、BLOCKED等。每种状态都有其特定的含义和可能的问题原因。
  • 栈追踪 (Stack Trace):显示了线程执行过程中的方法调用栈信息,对于定位问题非常关键。

通过深入分析线程转储的信息,可以更准确地诊断性能问题的根源,并采取针对性的优化措施。

线程转储的可视化在线分析平台:https://fastthread.io/

二、性能调优案例

案例1:解决CPU占用率高问题的方案

问题描述:监控系统通过Prometheus发出告警,显示CPU占用率异常高。通过top命令观察,发现是由Java应用程序引起的。需要确定是哪个部分的代码导致了这一性能问题。

解决思路:

  • 识别高CPU占用进程:使用top -c命令来识别CPU占用率最高的进程,并获取其进程ID (PID)。

image.gif

  • 深入线程分析:使用top -p [PID]来单独监控该进程的线程。通过按H,可以查看每个线程及其对应的CPU使用率。找到CPU使用率异常高的线程。

image.gif

  • 获取线程栈信息:使用jstack [PID]命令来获取所有线程的执行栈信息。通过重定向输出,例如jstack [PID] > file.txt,可以将这些信息保存到文件中,以便后续分析。
  • 线程ID转换:找到与高CPU占用率相关的线程ID后,可能需要将十进制线程ID转换为16进制。可以使用如printf '%x\n' [线程ID]的命令来完成这一转换。
  • 源代码定位:基于线程栈信息,定位到源代码中的相关部分,并分析导致高CPU占用率的根本原因。

在处理CPU占用率高的问题时,关注状态为RUNNABLE的线程是很重要的。然而,需要注意的是,有些线程在执行本地方法时并不会消耗大量CPU资源,而是在等待。尽管如此,JVM仍可能将这些线程标记为“RUNNABLE”状态。因此,除了关注RUNNABLE状态的线程外,还需考虑其他可能隐藏性能问题的状态。

案例2:接口响应时间长问题

问题描述:在程序运行过程中,发现有几个接口的响应时间异常延长,需要迅速定位到导致性能瓶颈的具体方法。

解决思路:已经确定是某个接口的性能问题,但由于方法嵌套较深,需要借助Arthas工具进行深入的方法定位。

使用Arthas的trace命令:Arthas的trace命令能够展示整个方法的调用路径及每个方法的执行耗时,是定位性能问题的有力工具。

  • 命令格式:trace [类名] [方法名]
  • 通过添加--skipJDKMethod false参数,可以输出JDK核心包中的方法及耗时。
  • 通过添加‘#cost > 毫秒值’参数,仅显示耗时超过指定毫秒值的调用。
  • 通过添加–n 数值参数,最多显示指定数量的数据。
  • 所有监控结束后,输入stop结束监控,并重置Arthas增强的对象。

使用watch命令进行详细监控:在定位到性能较低的方法后,使用watch命令可以获取该方法的更详细信息。

  • 命令格式:watch [类名] [方法名] ‘{params, returnObj}’ ‘#cost>毫秒值' -x 数值
  • ‘{params, returnObj}’表示打印方法的参数和返回值。
  • -x表示打印结果中如果有嵌套(如对象内的属性),最多展开2层数据。最大可设置为4。

案例3:定位底层性能问题

问题描述:在某个接口中,存在一个使用for循环向ArrayList添加数据的操作,但发现执行时间较长,需要深入分析并定位导致性能低下的根本原因。

解决思路:考虑到该问题涉及到底层方法的性能问题,将利用Arthas的强大功能进行性能分析。

使用Arthas的profile命令:Arthas的profile命令为开发人员提供了生成性能监控火焰图的工具,可以直观地展示方法执行的性能瓶颈。

  • 命令1:profiler start 开始监控方法的执行性能。
  • 命令2:profiler stop --format html 以HTML格式生成火焰图。

火焰图中的绿色部分代表方法执行时间较长,这部分很可能是性能瓶颈。对于底层性能问题,特别是由于JDK内部方法的大量调用导致的性能问题,火焰图为我们提供了直观的识别方式。

image.gif

在这个案例中,由于在创建ArrayList时没有手动指定容量,导致默认容量的使用,并在添加对象时发生了多次扩容。扩容过程中需要将原有数组中的元素复制到新的数组中,这一过程消耗了大量时间。通过火焰图,可以看到大量与此相关的调用。经过修复后,该接口的执行时间减少了20%至50%。

image.gif

案例4:线程耗尽问题

问题描述:程序在运行一段时间后,无法再处理任何请求。即使重启程序,同样的问题依然出现。

解决思路:线程耗尽问题通常由执行时间过长引起。为了解决这个问题,需要分两步进行分析:

  • 检查是否存在无法自动解除的死锁,这将导致线程永久阻塞。
  • 如果不存在死锁,我们将使用案例1中提到的打印线程栈的方法,来检测线程正在执行哪个方法。通常,这些长时间运行的方法是导致问题的关键。

解决方案:针对线程死锁问题,有三种方法可以帮助我们定位问题:

  1. 使用jstack -l [进程ID] > [文件名]命令将线程栈信息保存到本地文件中。在文件中搜索“deadlock”关键字,可以找到死锁的位置。
  2. 在开发环境中,可以使用如VisualVM或JConsole这样的工具来检测死锁。这些工具能够通过线程快照生成工具来查看死锁的根源。然而,生产环境中的服务通常不允许使用这些工具进行连接。
  3. 使用Fastthread自动检测线程问题。Fastthread是一款在线的AI自动线程问题检测工具,能够提供线程分析报告。通过查看报告,我们可以判断是否存在死锁问题。

总结

JVM是Java程序的运行环境,负责字节码解释、内存管理、安全保障、多线程支持、性能监控和跨平台运行。本文主要介绍了性能调优、性能调优案例等内容,希望对大家有所帮助。

相关文章
|
23天前
|
Oracle Java 关系型数据库
JVM深入原理(一+二):JVM概述和JVM功能
JVM全称是Java Virtual Machine-Java虚拟机JVM作用:本质上是一个运行在计算机上的程序,职责是运行Java字节码文件,编译为机器码交由计算机运行。
51 0
|
23天前
|
Arthas 存储 Java
JVM深入原理(三+四):JVM组成和JVM字节码文件
目录3. JVM组成3.1. 组成-运行时数据区3.2. 组成-类加载器3.3. 组成-执行引擎3.4. 组成-本地接口4. JVM字节码文件4.1. 字节码文件-组成4.1.1. 组成-基础信息4.1.1.1. 基础信息-魔数4.1.1.2. 基础信息-主副版本号4.1.2. 组成-常量池4.1.3. 组成-方法4.1.3.1. 方法-工作流程4.1.4. 组成-字段4.1.5. 组成-属性4.2. 字节码文件-查看工具4.2.1. javap4.2.2. jclasslib4.2.3. 阿里Arthas
34 0
|
23天前
|
存储 安全 Java
JVM深入原理(五):JVM组成和JVM字节码文件
类的生命周期概述:类的生命周期描述了一个类加载,使用,卸载的整个过类的生命周期阶段:类的声明周期主要分为五个阶段:加载->连接->初始化->使用->卸载,其中连接中分为三个小阶段验证->准备->解析。
26 0
|
23天前
|
Arthas Java 测试技术
JVM深入原理(六)(一):JVM类加载器
目录6. JVM类加载器6.1. 类加载器-概述6.2. 类加载器-执行流程6.3. 类加载器-分类(JDK8)6.3.1. JVM底层实现的类加载器6.3.1.1. 启动类加载器6.3.2. Java代码实现类的加载器6.3.2.1. 扩展类加载器6.3.2.2. 应用程序类加载器6.4. 类加载器-Arthas查看类加载器
28 0
|
23天前
|
Java 关系型数据库 MySQL
JVM深入原理(六)(二):双亲委派机制
自定义类加载器打破双亲委派机制的方法:复写ClassLoader中的loadClass方法常见问题:要加载的类名如果是以java.开头,则会抛出安全性异常加载自定义的类都会有一个共同的父类Object,需要在代码中交由父类加载器去加载自定义类加载器不手动指定parent会默认指定应用类加载两个自定义类加载器加载同一个类会被认为是两个对象,只有相同的类加载器+想通的类限定名才会被认为是一个对象。
33 0
|
23天前
|
存储 安全 Java
JVM深入原理(七)(一):运行时数据区
栈的介绍:Java虚拟机栈采用栈的数据结构来管理方法调用中的基本数据,先进后出,每一个方法的调用使用一个栈帧来保存栈的组成:栈:一个线程运行所需要的内存空间,一个栈由多个栈帧组成栈帧:一个方法运行所需要的内存空间活动栈帧:一个线程中只能有一个活动栈帧栈的生命周期:栈随着线程的创建而创建,而回收会在线程销毁时进行栈的执行流程:栈帧压入栈内执行方法执行完毕释放内存若方法间存在调用,那么会压入被调用方法入栈,执行完后释放内存,再执行当前方法,直到执行完毕,释放所有内存。
28 0
|
23天前
|
存储 缓存 安全
JVM深入原理(七)(二):运行时数据区
堆的作用:存放对象的内存空间,它是空间最大的一块内存区域.栈上的局部变量表中,可以存放堆上对象的引用。静态变量也可以存放堆对象的引用,通过静态变量就可以实现对象在线程之间共享。堆的特点:线程共享:堆中的对象都需要考虑线程安全的问题垃圾回收:堆有垃圾回收机制,不再引用的对象就会被回收方法区的概述:方法区是存放基础信息的位置,线程共享,主要包括:类的元信息:保存了所有类的基本信息运行时常量池:保存了字节码文件中的常量池内容静态常量池:字节码文件通过编号查表的方式找到常量。
28 0
|
23天前
|
缓存 算法 Java
JVM深入原理(八)(一):垃圾回收
弱引用-作用:JVM中使用WeakReference对象来实现软引用,一般在ThreadLocal中,当进行垃圾回收时,被弱引用对象引用的对象就直接被回收.软引用-作用:JVM中使用SoftReference对象来实现软引用,一般在缓存中使用,当程序内存不足时,被引用的对象就会被回收.强引用-作用:可达性算法描述的根对象引用普通对象的引用,指的就是强引用,只要有这层关系存在,被引用的对象就会不被垃圾回收。引用计数法-缺点:如果两个对象循环引用,而又没有其他的对象来引用它们,这样就造成垃圾堆积。
48 0
|
23天前
|
算法 Java 对象存储
JVM深入原理(八)(二):垃圾回收
Java垃圾回收过程会通过单独的GC线程来完成,但是不管使用哪一种GC算法,都会有部分阶段需要停止所有的用户线程。这个过程被称之为StopTheWorld简称STW,如果STW时间过长则会影响用户的使用。一般来说,堆内存越大,最大STW就越长,想减少最大STW,就会减少吞吐量,不同的GC算法适用于不同的场景。分代回收算法将整个堆中的区域划分为新生代和老年代。--超过新生代大小的大对象会直接晋升到老年代。
39 0
|
3月前
|
SQL 前端开发 Java
JVM实战—13.OOM的生产案例
本文详细探讨了多种线上系统中引发OOM(内存溢出)问题的原因及排查方法。内容涵盖:1)每秒仅上百请求的系统因RPC超时时间设置过长导致QPS激增而OOM;2)Jetty服务器NIO机制因堆外内存管理不当引发内存溢出;3)微服务架构下RPC调用因类定义不一致导致超大byte[]数组占用内存;4)SQL语句缺少WHERE条件查询大量数据引发OOM;5)日志分析系统因堆内存不足与递归操作耗尽内存;6)类加载器过多导致内存使用过高被OS杀死进程;7)数据同步系统频繁OOM的排查与解决;8)总结JVM参数优化、GC问题定位及OOM分析方法。
JVM实战—13.OOM的生产案例