Java 进程 CPU 100% 问题排查

简介: 在计算机操作系统中,CPU 是时分(time division)的,CPU 不会被同一个线程独占一直使用着,除非是那种非抢占式的。在操作系统中有很多线程,每个线程的运行时间由 CPU 决定,CPU 会分给每个线程一个时间片,时间片是一个极短的时间长度,如果在时间片内,线程一直占有,则认为是 CPU 100% 。CPU 运行速度很快,即主频非常高,除非密集型耗费 CPU 的运算,其它类型任务一般都会在小于时间片的时间内结束。

@[TOC]

前言

在计算机操作系统中,CPU 是时分(time division)的,CPU 不会被同一个线程独占一直使用着,除非是那种非抢占式的。在操作系统中有很多线程,每个线程的运行时间由 CPU 决定,CPU 会分给每个线程一个时间片,时间片是一个极短的时间长度,如果在时间片内,线程一直占有,则认为是 CPU 100% 。CPU 运行速度很快,即主频非常高,除非密集型耗费 CPU 的运算,其它类型任务一般都会在小于时间片的时间内结束。

Java 进程 CPU 100% 的排查步骤,大体上都是差不多的,可能会根据不同场景有些命令稍有区别。

  1. 首先找出消耗 CPU 最高的进程 PID。
  2. 然后再根据进程 PID 找出进程内消耗 CPU 最高的线程号 TID。
  3. 最后根据线程号 TID 找出对应的 Java 线程,进行排查处理。

正常情况下,我们一般将服务部署到 Linux 服务器上的,所以重点讲解在 Linux 服务器上的排查过程。不过考虑到,大多程序员是在 Windows 环境开发,或者有少数服务是部署到 Windows 服务器的,所以 Windows 和 Linux 两种环境都会讲解排查的过程。

测试样例

以下接口会不断循环创建 Person 对象,最终会产生内存溢出。

/**
 * @author 陈皮
 * @version 1.0
 * @description
 * @date 2022/4/19
 */
public class ChenPiController {

  private final List<Person> persons = new ArrayList<>();

  @GetMapping("test")
  public void test() {
    int i = 1;
    while (true) {
      persons.add(new Person("张三", i++));
      System.out.println(persons.size());
    }
  }

}

Windows 环境排查

首先找出消耗 CPU 最高的进程 PID。有两种方式可以查出,一种是通过 Windows 任务管理器,配合 CPU 列和 PID 列找出,CPU 列数字越大,代表消耗 CPU 越高,然后找出镜像名称是 java.exe 的,最后得出 PID。

在这里插入图片描述

另外一种方式是使用微软的工具Process Explorer,此软件不仅可以查看进程的情况,还能查看线程的 CPU 占有率,而任务管理器只能看到进程的 CPU 占有率。下载来解压就直接可以使用了。

下载地址:https://docs.microsoft.com/zh-cn/sysinternals/downloads/process-explorer

打开软件后,首先找出 cpu 占用率最高的 Java 进程,如下,进程号 PID 是16356。

在这里插入图片描述

然后右击此行数据,选择 Properties 打开,如下:

在这里插入图片描述

切换到 Threads 列页面。既可以看到此进程内的线程信息,并且发现 CPU 占用率最高的线程的 TID 是18240,6480,11260,13888,16312 等等。

在这里插入图片描述

打开 cmd 命令行工具,通过命令jstack 16356 > d:/16356.stack,将进程的堆栈信息导出到本地 D 盘的 16356.stack 文件中。注意,导出的文件位置随意,文件名一般以进程号+stack后缀组成,当然也可以其他后缀。

上面我们排查到 CPU 占用率最高的线程的 TID 是18240,6480,11260,13888,16312,这些数字是十进制的,而导出的堆栈信息里面的线程 ID 是十六进制的,所以我们需先转换为16进制,即 0x4740,0x1950,0x2bfc,0x3640,0x3fb8。

然后我们打开堆栈文件 16356.stack,在里面查找这些数字,首先是 0x4740,发现定位到我们程序的代码30行,经检测程序,原来是死循环不断的产生 Person 对象,故找到原因所在。

在这里插入图片描述

而且通过其他4个线程 ID 0x1950,0x2bfc,0x3640,0x3fb8,在堆栈文件中,发现是 GC 线程的 ID,从而也证明 GC 线程一直忙碌,表示内存不够用了,要进行内存回收,可能是 Java 内存回收不了,所以导致一直 gc,使 CPU 占用率极高。

在这里插入图片描述

至此,问题找到原因,原来是在死循环中,不断生产 Person 实例,并且无法回收,不仅工作线程一直占用 cpu,而且导致 gc 线程忙碌进行回收内存,但是回收不了,最后导致内存不足java.lang.OutOfMemoryError

Linux环境排查

首先使用top命令找出 CPU 占用最高的进程。进程 PID 为 29869 。

在这里插入图片描述

再使用ps -ef | grep javajps命令查看 CPU 占用高的进程是否为 Java 进程。

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

使用top -H -p pid命令查询此进程的所有线程情况,发现主要有三个线程(PID 为 29871,29872, 29873)CPU占用率高。-H 表示以线程的维度显示,默认以进程维度展示。

在这里插入图片描述

使用命令jstack pid > pid.tdump将此进程的线程栈导出到文件,并使用cat命令进行查看。文件后缀名随意,通常以tdump结尾即可。

jstack 29869 > 29869.tdump

cat 29869.tdump

将 前面查出的3个线程 PID 从10进制转为16进制,对应分别为 29871 -> 0x74af,29872 -> 0x74b0,29873 -> 0x74b1。

发现此3个线程中有2个为 gc 线程和1个工作线程。gc 线程忙碌表示内存不够用了,要进行内存回收,但是内存回收不了,导致一直 gc。

在这里插入图片描述

使用jstat -gcutil pid命令查看进程的堆情况,发现年轻代中 Eden 和老年代已使用的内存占当前容量百分比很高,并且 GC 频繁。

在这里插入图片描述

  • S0:年轻代中第一个 survivor(幸存区)已使用的占当前容量百分比
  • S1:年轻代中第二个 survivor(幸存区)已使用的占当前容量百分比
  • E:年轻代中 Eden 区已使用的占当前容量百分比
  • O:老年代已使用的占当前容量百分比
  • M:元数据区使用比例
  • CCS:压缩使用比例
  • YGC:从应用程序启动到采样时年轻代中 gc 次数
  • YGCT:从应用程序启动到采样时年轻代中 gc 所用时间(单位秒)
  • FGC:从应用程序启动到采样时老年代 full gc 次数
  • FGCT:从应用程序启动到采样时老年代 full gc 所用时间(单位秒)
  • GCT:从应用程序启动到采样时 gc 用的总时间(单位秒)

使用jmap -dump:live,format=b,file=pid.hprof pid命令导出堆文件,只导出 live 存活的对象。文件后缀名可以是任意的,因为它也是二进制的,不过通常以 hprof 结尾。

在这里插入图片描述

最后使用 JDK 自带的工具,JAVA_HOME/bin/jvisualvm.exe工具分析快照。

操作路径:文件 -> 装入 -> 文件类型选择堆,选中刚才导出的堆文件。

在这里插入图片描述

选择类列表,按照大小排序,找出占用内存最大的类别,发现是 Person 类。

在这里插入图片描述

至此,问题找到原因,原来是在死循环中,不断生产 Person 实例,并且无法回收,不仅工作线程一直占用 CPU,而且导致 gc 线程忙碌进行回收内存,但是回收不了,最后导致内存不足java.lang.OutOfMemoryError

在这里插入图片描述

最后简单总结下,上诉的排查过程不一定适用全部场景,不同大体上的思路大同小异。根据自己情况,使用不同的命令和工具进行分析,而且,Java 的 bin 目录下有很多 JVM 性能调优监控工具,如 jps,jstack,jmap,jhat,jstat,hprof。


本次分享到此结束啦~~

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