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深入浅出JProfiler

简介:

该文章来自阿里巴巴技术协会(ATA

由于最近工作的原因,使用了JProfiler(8)来做性能瓶颈分析,发现这个工具使用起来确实挺方便,现在整理一下JProfiler相关知识(在google查了一通,没有我想要的)。

一.JProfiler是什么

JProfiler是由ej-technologies GmbH公司开发的一款性能瓶颈分析工具(该公司还开发部署工具)。
其特点:

  • 使用方便
  • 界面操作友好
  • 对被分析的应用影响小
  • CPU,Thread,Memory分析功能尤其强大
  • 支持对jdbc,noSql, jsp, servlet, socket等进行分析
  • 支持多种模式(离线,在线)的分析
  • 跨平台 _2014_10_06_7_54_34_PM (图1)

二.数据采集

Q1. JProfiler既然是一款性能瓶颈分析工具,这些分析的相关数据来自于哪里?
Q2. JProfiler是怎么将这些数据收集并展现的?

_2014_10_06_3_09_15_PM
(图2)

A1. 分析的数据主要来自于下面俩部分
1. 一部分来自于jvm的分析接口**JVMTI**(JVM Tool Interface) , JDK必须>=1.6

JVMTI is an event-based system. The profiling agent library can register handler functions for different events. It can then enable or disable selected events

例如: 对象的生命周期,thread的生命周期等信息
2. 一部分来自于instruments classes(可理解为class的重写,增加JProfiler相关统计功能)
例如:方法执行时间,次数,方法栈等信息

A2. 数据收集的原理如图2
1. 用户在JProfiler GUI中下达监控的指令(一般就是点击某个按钮)
2. JProfiler GUI JVM 通过socket(默认端口8849),发送指令给被分析的jvm中的JProfile Agent。
3. JProfiler Agent(如果不清楚Agent请看文章第三部分"启动模式") 收到指令后,将该指令转换成相关需要监听的事件或者指令,来注册到JVMTI上或者直接让JVMTI去执行某功能(例如dump jvm内存)
4. JVMTI 根据注册的事件,来收集当前jvm的相关信息。 例如: 线程的生命周期; jvm的生命周期;classes的生命周期;对象实例的生命周期;堆内存的实时信息等等
5. JProfiler Agent将采集好的信息保存到**内存**中,按照一定规则统计好(如果发送所有数据JProfiler GUI,会对被分析的应用网络产生比较大的影响)
6. 返回给JProfiler GUI Socket.
7. JProfiler GUI Socket 将收到的信息返回 JProfiler GUI Render
8. JProfiler GUI Render 渲染成最终的展示效果

三. 数据采集方式和启动模式

A1. JProfier采集方式分为两种:Sampling(样本采集)和Instrumentation

  • Sampling: 类似于样本统计, 每隔一定时间(5ms)将每个线程栈中方法栈中的信息统计出来。优点是对应用影响小(即使你不配置任何Filter, Filter可参考文章第四部分),缺点是一些数据/特性不能提供(例如:方法的调用次数)

  • Instrumentation: 在class加载之前,JProfier把相关功能代码写入到需要分析的class中,对正在运行的jvm有一定影响。优点: 功能强大,但如果需要分析的class多,那么对应用影响较大,一般配合Filter一起使用。所以一般JRE class和framework的class是在Filter中通常会过滤掉。

注: JProfiler本身没有指出数据的采集类型,这里的采集类型是针对方法调用的采集类型 。因为JProfiler的绝大多数核心功能都依赖方法调用采集的数据, 所以可以直接认为是JProfiler的数据采集类型。

A2: 启动模式:

  • Attach mode
    可直接将本机正在运行的jvm加载JProfiler Agent. 优点是很方便,缺点是一些特性不能支持。如果选择Instrumentation数据采集方式,那么需要花一些额外时间来重写需要分析的class。

  • Profile at startup
    在被分析的jvm启动时,将指定的JProfiler Agent手动加载到该jvm。JProfiler GUI 将收集信息类型和策略等配置信息通过socket发送给JProfiler Agent,收到这些信息后该jvm才会启动。
    在被分析的jvm 的启动参数增加下面内容:
    语法: -agentpath:[path to jprofilerti library]
    【注】: 语法不清楚没关系,JProfiler提供了帮助向导.
    _2014_10_06_4_15_42_PM
    (图3)

  • Prepare for profiling:
    和Profile at startup的主要区别:被分析的jvm不需要收到JProfiler GUI 的相关配置信息就可以启动。

  • Offline profiling
    一般用于适用于不能直接调试线上的场景。Offline profiling需要将信息采集内容和策略(一些Trigger, Trigger请参考文章第五部分)打包成一个配置文件(config.xml),在线上启动该jvm 加载 JProfiler Agent时,加载该xml。那么JProfiler Agent会根据Trigger的类型会生成不同的信息。例如: heap dump; thread dump; method call record等
    语法:
    -agentpath:/home/2080/jprofiler8/bin/linux-x64/libjprofilerti.so=offline,id=151,config=/home/2080/config.xml
    【注】: config.xml中的每一个被分析的jvm的采集信息都有一个id来标识。
    下面是使用了离线模式,并使用了每隔一秒dump heap 的Trigger:
    _2014_10_06_9_07_56_PM

四. JProfiler核心概念

  1. Filter: 什么class需要被分析。分为包含和不包含两种类型的Filter。
    _2014_10_06_4_32_15_PM
    (图4)

  2. Profiling Settings: 收据收集的策略:Sampling和 Instrumentation,一些数据采集细节可以自定义.
    _2014_10_06_4_34_28_PM
    (图5)

  3. Triggers: 一般用于**offline**模式,告知JProfiler Agent 什么时候触发什么行为来收集指定信息.
    _2014_10_06_4_37_47_PM
    (图6)

  4. Live memory: class/class instance的相关信息。 例如对象的个数,大小,对象创建的方法执行栈,对象创建的热点。
    _2014_10_06_4_56_09_PM
    (图7)

  5. Heap walker: 对一定时间内收集的内存对像信息进行静态分析,功能强大且使用。包含对象的outgoing reference, incoming reference, biggest object等
    _2014_10_06_4_55_39_PM
    (图8)

  6. CPU views: CPU消耗的分布及时间(cpu时间或者运行时间); 方法的执行图; 方法的执行统计(最大,最小,平均运行时间等)
    _2014_10_06_4_54_48_PM
    (图9)

  7. Thread: 当前jvm所有线程的运行状态,线程持有锁的状态,可dump线程。
    _2014_10_06_4_54_07_PM
    (图10)

  8. Monitors & locks: 所有线程持有锁的情况以及锁的信息
    _2014_10_06_4_59_15_PM
    (图11)

  9. Telemetries: 包含heap, thread, gc, class等的趋势图(遥测视图)

五. 实践

为了方便实践,直接以JProfiler8自带的一个例子来帮助理解上面的相关概念。
JProfiler 自带的例子如下:模拟了内存泄露和线程阻塞的场景:
具体源码参考: /jprofiler install path/demo/bezier

_2014_10_06_5_06_49_PM
(图12 )

_2014_10_06_5_09_43_PM
(图13 Leak Memory 模拟内存泄露, Simulate blocking 模拟线程间锁的阻塞)

A1. 首先来分析下内存泄露的场景:(勾选图13中 Leak Memory 模拟内存泄露)
1. 在**Telemetries-> Memory**视图中你会看到大致如下图的场景(在看的过程中可以间隔一段时间去执行Run GC这个功能):看到下图蓝色区域,老生代在gc后(**波谷**)内存的大小在慢慢的增加(理想情况下,这个值应该是稳定的)
_2014_10_06_5_18_56_PM
(图14)

  1. 在 Live memory->Recorded Objects 中点击**record allocation data**按钮,开始统计一段时间内创建的对象信息。执行一次**Run GC**后看看当前对象信息的大小,并点击工具栏中**Mark Current**按钮(其实就是给当前对象数量打个标记。执行一次Run GC,然后再继续观察;执行一次Run GC,然后再继续观察...。最后看看哪些对象在不断GC后,数量还一直上涨的。最后你看到的信息可能和下图类似
    _2014_10_06_5_26_41_PM
    (图15 绿色是标记前的数量,红色是标记后的增量)

  2. 在Heap walker中分析刚才记录的对象信息
    _2014_10_06_5_28_00_PM
    (图16)
    _2014_10_06_5_29_11_PM
    (图17)

  3. 点击上图中实例最多的class,右键**Use Selected Instances->Reference->Incoming Reference**.
    发现该Long数据最终是存放在**bezier.BeaierAnim.leakMap**中。
    _2014_10_06_5_31_54_PM
    (图18)

在Allocations tab项中,右键点击其中的某个方法,可查看到具体的源码信息.
_2014_10_06_5_36_08_PM
(图19)

【注】:到这里问题已经非常清楚了,明白了在图17中为什么哪些实例的数量是一样多,并且为什么内存在fullgc后还是回收不了(一个old 区的对象leakMap,put的信息也会进入old区, leakMap如回收不掉,那么该map中包含的对象也回收不掉)。

A2. 模拟线程阻塞的场景(勾选图13中Simulate blocking 模拟线程间锁的阻塞)
为了方便区分线程,我将Demo中的BezierAnim.java的L236的线程命名为test

public void start() {
            thread = new Thread(this, "test");
            thread.setPriority(Thread.MIN_PRIORITY);
            thread.start();
        }

正常情况下,如下图
_2014_10_06_5_50_25_PM
(图20)

勾选了Demo中"Simulate blocking"选项后,如下图(注意看下下图中的状态图标), test线程block状态明显增加了。
_2014_10_06_5_53_19_PM
(图21)

在**Monitors & locks->Monitor History**观察了一段时间后,会发现有4种发生锁的情况。

第一种:
AWT-EventQueue-0 线程持有一个Object的锁,并且处于Waiting状态。

图下方的代码提示出Demo.block方法调用了object.wait方法。这个还是比较容易理解的。 
_2014_10_06_6_15_59_PM
(图22)

第二种:
AWT-EventQueue-0占有了bezier.BezierAnim$Demo实例上的锁,而test线程等待该线程释放。

注意下图中下方的源代码, 这种锁的出现原因是Demo的blcok方法在AWT和test线程
都会被执行,并且该方法是synchronized.
_2014_10_06_6_11_20_PM
(图23)

第三种和第四种:
test线程中会不断向事件Event Dispatching Thread提交任务,导致竞争java.awt.EventQueue对象锁。
提交任务的方式是下面的代码:repaint()EventQueue.invokeLater

        public void run() {
            Thread me = Thread.currentThread();
            while (thread == me) {
                repaint();
                if (block) {
                    block(false);
                }
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (Exception e) {
                    break;
                }
                EventQueue.invokeLater(new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        onEDTMethod();
                    }
                });
            }
            thread = null;
        }

_2014_10_06_6_20_05_PM
(图24)

六. 最佳实践

  1. JProfiler都会对一些特殊操作给予提示,这时候最好仔细阅读下说明.
  2. "Mark Current"功能在某些场景很有效
  3. Heap walker一般是静态分析在Live memory->Recorder objects的对象信息,这些信息可能会被GC回收掉,导致Heap walker中什么也没有显示出来。这种现象是正常的。
  4. 可以才工具栏中Start Recordings配置一次性收集的信息
  5. Filter中include和exclude是有顺序的,注意使用下图**左下方**的**“Show Filter Tree”**来验证一下顺序 _2014_10_17_3_41_18_PM (图25)

七. 参考文献

  1. JProfiler helper: http://resources.ej-technologies.com/jprofiler/help/doc/index.html
  2. JVMTI: http://docs.oracle.com/javase/7/docs/platform/jvmti/jvmti.html

    如果上面的描述有错误或者不清晰的地方,欢迎斧正。
    另外补充一句:JProfiler是收费的

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