第4章 虚拟机性能监控、故障处理工具（上）
Java与C++之间有一堵由内存动态分配和垃圾收集技术所围成的高墙，墙外面的人想进去，墙里面的人却想出来。
4.1 概述
经过前面两章对于虚拟机内存分配与回收技术各方面的介绍，相信读者已经建立了一个比较系统、完整的理论基础。理论总是作为指导实践的工具，把这些知识应用到实际工作中才是我们的最终目的。
接下来的两章，我们将从实践的角度去认识虚拟机内存管理的世界。给一个系统定位问题的时候，知识、经验是关键基础，数据是依据，工具是运用知识处理数据的手段。这里说的数据包括但不限于异常堆栈、虚拟机运行日志、垃圾收集器日志、线程快照（threaddump/javacore文件）、堆转储快照（heapdump/hprof文件）等。恰当地使用虚拟机故障处理、分析的工具可以提升我们分析数据、定位并解决问题的效率，但我们在学习工具前，也应当意识到工具永远都是知识技能的一层包装，没有什么工具是“秘密武器”，拥有了就能“包治百病”。
4.2 基础故障处理工具
Java开发人员肯定都知道JDK的bin目录中有java.exe、javac.exe这两个命令行工具，但并非所有程序员都了解过JDK的bin目录下其他各种小工具的作用。随着JDK版本的更迭，这些小工具的数量和功能也在不知不觉地增加与增强。除了编译和运行Java程序外，打包、部署、签名、调试、监控、运维等各种场景都可能会用到它们，这些工具如图4-1所示。
在本章，笔者将介绍这些工具中的一部分，主要是用于监视虚拟机运行状态和进行故障处理的工具。这些故障处理工具并不单纯是被Oracle公司作为“礼物”附赠给JDK的使用者，根据软件可用性和授权的不同，可以把它们划分成三类：
- 商业授权工具：主要是JMC（Java Mission Control）及它要使用到的JFR（JavaFlight Recorder），JMC这个原本来自于JRockit的运维监控套件从JDK 7 Update40开始就被集成到OracleJDK中，JDK 11之前都无须独立下载，但是在商业环境中使用它则是要付费的。
- 正式支持工具：这一类工具属于被长期支持的工具，不同平台、不同版本的JDK之间，这类工具可能会略有差异，但是不会出现某一个工具突然消失的情况。
- 实验性工具：这一类工具在它们的使用说明中被声明为“没有技术支持，并且是实验性质的”（Unsupported and Experimental）产品，日后可能会转正，也可能会在某个JDK版本中无声无息地消失。但事实上它们通常都非常稳定而且功能强大，也能在处理应用程序性能问题、定位故障时发挥很大的作用。
读者如果比较细心的话，还可能会注意到这些工具程序大多数体积都异常小。假如之前没注意到，现在不妨再看看图4-1中的最后一列“大小”，各个工具的体积基本上都稳定在21KB左右。并非JDK开发团队刻意把它们制作得如此精炼、统一，而是因为这些命令行工具大多仅是一层薄包装而已，真正的功能代码是实现在JDK的工具类库中的，读者把图4-1和图4-2两张图片对比一下就可以看得很清楚。假如读者使用的是Linux版本的JDK，还可以发现这些工具中不少是由Shell脚本直接写成，可以用文本编辑器打开并编辑修改它们。
JDK开发团队选择采用Java语言本身来实现这些故障处理工具是有特别用意的：当应用程序部署到生产环境后，无论是人工物理接触到服务器还是远程Telnet到服务器上都可能会受到限制。借助这些工具类库里面的接口和实现代码，开发者可以选择直接在应用程序中提供功能强大的监控分析功能。
本章所讲解的工具大多基于Windows平台下的JDK进行演示，如果读者选用的JDK版本、操作系统不同，那么工具不仅可能数量上有所差别，同一个工具所支持的功能范围和效果都可能会不一样。本章提及的工具，如无特别说明，是JDK 5中就已经存在的，但为了避免运行环境带来的差异和兼容性问题，建议读者使用更高版本的JDK来验证本章介绍的内容。通常高版本JDK的工具有可能向下兼容运行于低版本JDK的虚拟机上的程序，反之则一般不行。
注意 如果读者在工作中需要监控运行于JDK 5的虚拟机之上的程序，在程序启动时请添加参数“-Dcom.sun.management.jmxremote”开启JMX管理功能，否则由于大部分工具都是基于或者要用到JMX（包括下一节的可视化工具），它们都将无法使用，如果被监控程序运行于JDK 6或以上版本的虚拟机之上，那JMX管理默认是开启的，虚拟机启动时无须再添加任何参数。
4.2.1 jps：虚拟机进程状况工具
JDK的很多小工具的名字都参考了UNIX命令的命名方式，jps（JVM ProcessStatus Tool）是其中的典型。除了名字像UNIX的ps命令之外，它的功能也和ps命令类似：可以列出正在运行的虚拟机进程，并显示虚拟机执行主类（Main Class，main()函数所在的类）名称以及这些进程的本地虚拟机唯一ID（LVMID，LocalVirtual Machine Identifier）。虽然功能比较单一，但它绝对是使用频率最高的JDK命令行工具，因为其他的JDK工具大多需要输入它查询到的LVMID来确定要监控的是哪一个虚拟机进程。对于本地虚拟机进程来说，LVMID与操作系统的进程ID（PID，Process Identifier）是一致的，使用Windows的任务管理器或者UNIX的ps命令也可以查询到虚拟机进程的LVMID，但如果同时启动了多个虚拟机进程，无法根据进程名称定位时，那就必须依赖jps命令显示主类的功能才能区分了。
jps命令格式：
jps [ options ] [ hostid ]
jps执行样例：
jps -l
1168 jdk.jcmd/sun.tools.jps.Jps
jps还可以通过RMI协议查询开启了RMI服务的远程虚拟机进程状态，参数hostid为RMI注册表中注册的主机名。jps的其他常用选项见表4-1。
4.2.2 jstat：虚拟机统计信息监视工具
jstat（JVM Statistics Monitoring Tool）是用于监视虚拟机各种运行状态信息的命令行工具。它可以显示本地或者远程虚拟机进程中的类加载、内存、垃圾收集、即时编译等运行时数据，在没有GUI图形界面、只提供了纯文本控制台环境的服务器上，它将是运行期定位虚拟机性能问题的常用工具。
jstat命令格式为：
jstat -<option> <vmid> [<interval> [<count>]]
对于命令格式中的VMID与LVMID需要特别说明一下：如果是本地虚拟机进程，VMID与LVMID是一致的；如果是远程虚拟机进程，那VMID的格式应当是：
[protocol:][//]lvmid[@hostname[:port].servername]
参数interval和count代表查询间隔和次数，如果省略这2个参数，说明只查询一次。假设需要每250毫秒查询一次进程2764垃圾收集状况，一共查询20次，那命令应当是：
jstat -gc 2764 250 20
选项option代表用户希望查询的虚拟机信息，主要分为三类：类加载、垃圾收集、运行期编译状况。详细请参考表4-2中的描述。
jstat监视选项众多，囿于版面原因无法逐一演示，这里仅举一个在命令行下监视一台服务器的内存状况的例子，用以演示如何查看监视结果。监视参数与输出结果如代码清单4-1所示。
jstat -gcutil 6352S0 S1 E O M CCS YGC YGCT FGC FGCT CGC CGCT GCT0.08 0.00 52.00 38.41 94.74 - 7466 12.813 872 148.919 - - 161.732
查询结果表明：这台服务器的新生代Eden区（E，表示Eden）使用了52%的空间，2个Survivor区（S0、S1，表示Survivor0、Survivor1）中S0使用了0.08%的空间，S1里面是空的，老年代（O，表示Old）和元空间（M，表示Metaspace）则分别使用了38.41%和94.74%的空间。程序运行以来共发生Minor GC（YGC，表示Young GC）7466次，总耗时12.813秒；发生Full GC（FGC，表示Full GC）872次，总耗时（FGCT，表示Full GC Time）为148.919秒；所有GC总耗时（GCT，表示GC Time）为161.732秒。
使用jstat工具在纯文本状态下监视虚拟机状态的变化，在用户体验上也许不如后文将会提到的JMC、VisualVM等可视化的监视工具直接以图表展现那样直观，但在实际生产环境中不一定可以使用图形界面，而且多数服务器管理员也都已经习惯了在文本控制台工作，直接在控制台中使用jstat命令依然是一种常用的监控方式。
4.2.3 jinfo：Java配置信息工具
jinfo（Configuration Info for Java）的作用是实时查看和调整虚拟机各项参数。使用jps命令的-v参数可以查看虚拟机启动时显式指定的参数列表，但如果想知道未被显式指定的参数的系统默认值，除了去找资料外，就只能使用jinfo的-flag选项进行查询了（如果只限于JDK 6或以上版本的话，使用java-XX：+PrintFlagsFinal查看参数默认值也是一个很好的选择）。jinfo还可以使用-sysprops选项把虚拟机进程的System.getProperties()的内容打印出来。这个命令在JDK 5时期已经随着Linux版的JDK发布，当时只提供了信息查询的功能，JDK 6之后，jinfo在Windows和Linux平台都有提供，并且加入了在运行期修改部分参数值的能力（可以使用-flag[+|-]name或者-flag name=value在运行期修改一部分运行期可写的虚拟机参数值）。在JDK 6中，jinfo对于Windows平台功能仍然有较大限制，只提供了最基本的-flag选项。
jinfo命令格式：
jinfo <option> <pid>
执行样例：查询CMSInitiatingOccupancyFraction参数值
jinfo -flag CMSInitiatingOccupancyFraction 6352
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=-1
4.2.4 jmap：Java内存映像工具
jmap（Memory Map for Java）命令用于生成堆转储快照（一般称为 heapdump 或 dump 文件）。如果不使用 jmap 命令，要想获取Java堆转储快照也还有一些比较“暴力”的手段：譬如在第2章中用过的 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 参数，可以让虚拟机在内存溢出异常出现之后自动生成堆转储快照文件，通过 -XX:+HeapDumpOnCtrlBreak 参数则可以使用 [Ctrl] + [Break] 键让虚拟机生成堆转储快照文件，又或者在 Linux 系统下通过 Kill -3 命令发送进程退出信号“恐吓”一下虚拟机，也能顺利拿到堆转储快照。
jmap的作用并不仅仅是为了获取堆转储快照，它还可以查询 finalize 执行队列、Java堆和方法区的详细信息，如空间使用率、当前用的是哪种收集器等。
和jinfo命令一样，jmap有部分功能在Windows平台下是受限的，除了生成堆转储快照的-dump选项和用于查看每个类的实例、空间占用统计的-histo选项在所有操作系统中都可以使用之外，其余选项都只能在Linux/Solaris中使用。
jmap命令格式：
jmap -<option> <pid>
option选项的合法值与具体含义如表4-3所示。
代码清单4-2是使用jmap生成一个正在运行的进程的堆转储快照文件的例子，例子中的6352是通过jps命令查询到的LVMID。代码清单4-2 使用jmap生成dump文件
jmap -dump:format=b,file=test.dump 6352
Heap dump file created
4.2.5 jhat：虚拟机堆转储快照分析工具
JDK提供jhat（JVM Heap Analysis Tool）命令与jmap搭配使用，来分析jmap生成的堆转储快照。jhat内置了一个微型的HTTP/Web服务器，生成堆转储快照的分析结果后，可以在浏览器中查看。不过实事求是地说，在实际工作中，除非手上真的没有别的工具可用，否则多数人是不会直接使用jhat命令来分析堆转储快照文件的，主要原因有两个方面。一是一般不会在部署应用程序的服务器上直接分析堆转储快照，即使可以这样做，也会尽量将堆转储快照文件复制到其他机器上进行分析，因为分析工作是一个耗时而且极为耗费硬件资源的过程，既然都要在其他机器上进行，就没有必要再受命令行工具的限制了。另外一个原因是jhat的分析功能相对来说比较简陋，后文将会介绍到的VisualVM，以及专业用于分析堆转储快照文件的Eclipse Memory Analyzer、IBM HeapAnalyzer等工具，都能实现比jhat更强大专业的分析功能。代码清单4-3演示了使用jhat分析上一节采用jmap生成的内存快照文件。
jhat test.dump
Reading from test.dump...
Dump file created Wed Jul 20 17:55:02 CST 2022
Snapshot read, resolving...
Resolving 865730 objects...
Chasing references, expect 173 dots.....................................................................................
........................................................................................
Eliminating duplicate references........................................................................................
.....................................................................................
Snapshot resolved.
Started HTTP server on port 7000
Server is ready.
屏幕显示“Server is ready.”的提示后，用户在浏览器中输入http://localhost:7000/可以看到分析结果
分析结果默认以包为单位进行分组显示，分析内存泄漏问题主要会使用到其中的“Heap Histogram”（与jmap-histo功能一样）与OQL页签的功能，前者可以找到内存中总容量最大的对象，后者是标准的对象查询语言，使用类似SQL的语法对内存中的对象进行查询统计。
4.2.6 jstack：Java堆栈跟踪工具
jstack（Stack Trace for Java）命令用于生成虚拟机当前时刻的线程快照（一般称为threaddump或者javacore文件）。线程快照就是当前虚拟机内每一条线程正在执行的方法堆栈的集合，生成线程快照的目的通常是定位线程出现长时间停顿的原因，如线程间死锁、死循环、请求外部资源导致的长时间挂起等，都是导致线程长时间停顿的常见原因。线程出现停顿时通过jstack来查看各个线程的调用堆栈，就可以获知没有响应的线程到底在后台做些什么事情，或者等待着什么资源。
jstack命令格式：
jstack [-l][-e] <pid>
选项的合法值与具体含义如表4-4所示。
代码清单4-4 使用jstack查看线程堆栈（部分结果）
jstack -l 6352
2022-07-21 15:38:06
Full thread dump OpenJDK 64-Bit Client VM (11.0.11+9 mixed mode):Threads class SMR info:
_java_thread_list=0x00000000576b7a90, length=59, elements={0x000000000399e000}"main" #1 prio=6 os_prio=0 cpu=531968.75ms elapsed=3211977.46s tid=0x000000000399e000 nid=0xf14 runnable [0x0000000000fcd000]java.lang.Thread.State: RUNNABLEat org.eclipse.swt.internal.win32.OS.WaitMessage(Native Method)at org.eclipse.swt.widgets.Display.sleep(Display.java:4709)at org.eclipse.ui.application.WorkbenchAdvisor.eventLoopIdle(WorkbenchAdvisor.java:339)at org.eclipse.ui.internal.ide.application.IDEWorkbenchAdvisor.eventLoopIdle(IDEWorkbenchAdvisor.java:982)at org.jkiss.dbeaver.ui.app.standalone.ApplicationWorkbenchAdvisor.eventLoopIdle(ApplicationWorkbenchAdvisor.java:285)at org.eclipse.ui.internal.Workbench$1.eventLoopIdle(Workbench.java:479)at org.eclipse.e4.ui.internal.workbench.swt.PartRenderingEngine$5.run(PartRenderingEngine.java:1162)at org.eclipse.core.databinding.observable.Realm.runWithDefault(Realm.java:338)at org.eclipse.e4.ui.internal.workbench.swt.PartRenderingEngine.run(PartRenderingEngine.java:1046)at org.eclipse.e4.ui.internal.workbench.E4Workbench.createAndRunUI(E4Workbench.java:155)at org.eclipse.ui.internal.Workbench.lambda$3(Workbench.java:644)at org.eclipse.ui.internal.Workbench$$Lambda$170/0x000000004bab50a8.run(Unknown Source)at org.eclipse.core.databinding.observable.Realm.runWithDefault(Realm.java:338)at org.eclipse.ui.internal.Workbench.createAndRunWorkbench(Workbench.java:551)at org.eclipse.ui.PlatformUI.createAndRunWorkbench(PlatformUI.java:156)at org.jkiss.dbeaver.ui.app.standalone.DBeaverApplication.start(DBeaverApplication.java:265)at org.eclipse.equinox.internal.app.EclipseAppHandle.run(EclipseAppHandle.java:203)at org.eclipse.core.runtime.internal.adaptor.EclipseAppLauncher.runApplication(EclipseAppLauncher.java:134)at org.eclipse.core.runtime.internal.adaptor.EclipseAppLauncher.start(EclipseAppLauncher.java:104)at org.eclipse.core.runtime.adaptor.EclipseStarter.run(EclipseStarter.java:401)at org.eclipse.core.runtime.adaptor.EclipseStarter.run(EclipseStarter.java:255)at jdk.internal.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(java.base@11.0.11/Native Method)at jdk.internal.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(java.base@11.0.11/Unknown Source)at jdk.internal.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(java.base@11.0.11/Unknown Source)at java.lang.reflect.Method.invoke(java.base@11.0.11/Unknown Source)at org.eclipse.equinox.launcher.Main.invokeFramework(Main.java:653)at org.eclipse.equinox.launcher.Main.basicRun(Main.java:590)at org.eclipse.equinox.launcher.Main.run(Main.java:1461)Locked ownable synchronizers:- None
从JDK 5起，java.lang.Thread类新增了一个getAllStackTraces()方法用于获取虚拟机中所有线程的StackTraceElement对象。
4.2.7 基础工具总结
下面表4-5～表4-14中罗列了JDK附带的全部（包括曾经存在但已经在最新版本中被移除的）工具及其简要用途，限于篇幅，本节只讲解了6个常用的命令行工具。笔者选择这几个工具除了因为它们是最基础的命令外，还因为它们已经有很长的历史，能适用于大多数读者工作、学习中使用的JDK版本。在高版本的JDK中，这些工具大多已有了功能更为强大的替代品，譬如JCMD、JHSDB的命令行模式，但使用方法也是相似的，无论JDK发展到了什么版本，学习这些基础的工具命令并不会过时和浪费。
- 基础工具：用于支持基本的程序创建和运行
| 名称 | 主要作用 |
|---|---|
| appletviewer | 在不使用Web浏览器的情况下运行和调试Applet，JDK11中被移除 |
| extcheck | 检查JAR冲突的工具，从JDK9中被移除 |
| jar | 创建和管理JAR文件 |
| java | Java运行工具，用于运行Class文件或JAR文件 |
| javac | 用于Java编程语言的编译器 |
| javadoc | Java的API文档生成器 |
| javah | C语言头文件和Stub函数生成器，用于编写JNI方法 |
| javap | Java字节码分析工具 |
| jlink | 将Module和它的依赖打包成一个运行时镜像文件 |
| jdb | 基于JPDA协议的调试器，以类似于GDB的方式进行调试Java代码 |
| jdeps | Java类依赖性分析器 |
| jdeprscan | 用于搜索JAR包中使用了“deprecated”的类，从JDK9开始提供 |
- 安全：用于程序签名、设置安全测试等
| 名称 | 主要作用 |
|---|---|
| keytool | 管理密钥库和证书。主要用于获取或缓存Kerberos协议的票据授权票据。允许用户查看本地凭据和密钥表中的条目（用于Kerberos协议） |
| jarsigner | 生成并验证JAR签名 |
| policytool | 管理策略文件的GUI工具，用于管理用户策略文件（.java.policy），在JDK10中被移除 |
- 国际化：用于创建本地语言文件
| 名称 | 主要作用 |
|---|---|
| native2ascii | 本地编码到ASCII编码的转换器，用于“任意受支持的字符编码”和与之对应的“ASCII编码和Unicode转义”之间的相互转换 |
- 远程方法调用：用于跨Web或网络的服务交互
| 名称 | 主要作用 |
|---|---|
| rmic | Java RMI 编译器，为使用 JRMP 或 IIPO 协议的远程对象生成Stub、Skeleton 和 Tie 类，也用于生成 OMG IDL |
| rmiregistry | 远程对象注册表服务，用于在当前主机的指定端口上创建并启动一个远程对象注册表 |
| rmid | 启动激活系统守护进程，允许在虚拟机中注册激活对象 |
| serialver | 生成并返回指定类的序列化版本ID |
- Java IDL与RMI-IIOP：在JDK 11中结束了十余年的CORBA支持，这些工具不再提供
| 名称 | 主要作用 |
|---|---|
| tnameserv | 提供对命名服务的访问 |
| idlj | IDL 转 Java 编译器，生成映射 OMG IDL 接口的Java源文件，并启用以Java语言编写的使用CORBA功能的应用程序的Java源文件。IDL 即接口定义语言 |
| orbd | 对象请求代理守护进程（Object Request Broker Daemon），提供从客户端查找和调用CORBA环境服务端上的持久化对象的功能。 |
| servertool | 为应用程序注册、注销、启动和关闭服务提供易用的接口 |
- 部署工具：用于程序打包、发布和部署
| 名称 | 主要作用 |
|---|---|
| Javapackager | 打包、签名Java和Java FX 应用程序，在JDK11中被移除 |
| pack200 | 使用Java GZIP 压缩器将JAR文件转换为压缩的Pack200文件。压缩的压缩文件是高度压缩的JAR，可以直接部署，节省带宽并减少下载时间 |
| unpack200 | 将Pack200 生成的打包文件压缩提取为JAR 文件 |
- Java Web Start
| 名称 | 主要作用 |
|---|---|
| javaws | 启动Java Web Start并设置各种选项的工具。在JDK 11中被移除 |
- 性能监控和故障处理：用于监控分析Java虚拟机运行信息，排查问题
| 名称 | 主要作用 |
|---|---|
| jps | JVM Process Status Tool，显示指定系统内所有的HotSpot 虚拟机进程 |
| jstat | JVM Statistics Monitoring Tool ，用于收集HotSpot 虚拟机各方面的运行数据 |
| jstatd | JVM Statistics Monitoring Tool Daemon ，jstat的守护程序，启动一个RMI服务器应用程序，用于监视测试的HotSpot虚拟机的创建和终止，并提供一个界面，允许远程监控工具附加到在本地系统上运行的虚拟机。在JDK9中集成到了JHSDB中 |
| jinfo | Configuration Info for Java，显示虚拟机配置信息。在JDK9中集成到了JHSDB中 |
| jmap | Memory Map for Java，生成虚拟机的内存转储快照（headdump文件）。在JDK9中集成到了JHSDB中 |
| jhat | JVM Heap Analysis Tool，用于分析堆转储快照，它会建立一个HTTP/Web服务器，让用户可以在浏览器上查看分析结果。在JDK9中集成到了JHSDB中 |
| jhsdb | Java HotSpot Debugger，一个基于Serviceability Agent 的HotSpot 进程调试器，从JDK9 开始提供 |
| jsadebugd | Java Serviceability Agent Debug Daemon，用于Java的可维护性代理调试守护程序，主要用于附加到指定的Java进程、核心文件，或充当一个调试服务器 |
| jcmd | JVM Command，虚拟机诊断命令工具，将诊断命令请求发送到正在运行的Java虚拟机。 |
| jconsole | Java Console ，用于监控Java虚拟机的使用JMX规范的图形工具。它可以监控本地和远程Java虚拟机，还可以监控和管理应用程序。 |
| jmc | Java Mission Control ， 包含用于监控和管理Java应用程序的工具，而不会引入与这些工具相关联的性能开销。开发者可以使用jmc命令来创建JMC工具 |
| jvisualvm | Java VisualVM，一种图形化工具，可在Java虚拟机中运行时提供有关基于Java技术的应用程序的详细信息。提供内存和CPU分析、堆转储分析、内存泄漏检测、MBean访问和垃圾收集。 |
- WebService工具：与CORBA一起在JDK 11中被移除
| 名称 | 主要作用 |
|---|---|
| schemagen | 用于 XML 绑定的Schema 生成器，用于生成 XML Schema文件 |
| wsgen | XML Web Service 2.0 的Java API，生成用于JAX-WS Web Service 的JAX-WS便携式产物 |
| wsimport | XML Web Service 2.0 的Java API，生成用于根据服务端发布的WSDL文件生成客户端 |
| xjc | 主要用于根据XML Schema 文件生成对应的Java类 |
- REPL和脚本工具
| 名称 | 主要作用 |
|---|---|
| jshell | 基于Java的 Shell REPL（Read-Eval-Print Loop）交互工具 |
| jjs | 对Nashorn 引擎的调用入口。Nashorn是基于Java实现的一个轻量级高性能JavaScript运行环境 |
| jrunscript | Java命令行脚本外壳工具（Conmmand Line Script Shell），主要用于解释执行javas、Groovy、Ruby等脚本语言 |
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