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[Java知识库]深入理解java虚拟机(九)基础故障处理工具(jmap、jhat、jstack等)

前言

大家都知道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。

本章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（Java Flight
Recorder）， JMC这个原本来自于JRockit的运维监控套件从JDK 7 Update 40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。

一、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 Process Status 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， Local Virtual 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
2388 D:\Develop\glassfish\bin\..\modules\admin-cli.jar
2764 com.sun.enterprise.glassfish.bootstrap.ASMain
3788 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的其他常用选项见下表。
在这里插入图片描述

二、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[s|ms] [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。详细请参考表中的描述。
在这里插入图片描述
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刚刚启动的GlassFish v3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所示。

jstat -gcutil 2764
S0   S1   E    O     P     YGC YGCT  FGC FGCT  GCT
0.00 0.00 6.20 41.42 47.20 16  0.105 3   0.472 0.577

查询结果表明：这台服务器的新生代Eden区（E，表示Eden）使用了6.2%的空间， 2个Survivor区（S0、 S1，表示Survivor0、 Survivor1）里面都是空的，老年代（O，表示Old）和永久代（P，表示Permanent）则分别使用了41.42%和47.20%的空间。程序运行以来共发生Minor GC（YGC，表示Young GC） 16次，总耗时0.105秒；发生Full GC（FGC，表示Full GC） 3次，总耗时（FGCT，表示Full GC Time）为0.472秒；所有GC总耗时（GCT，表示GC Time）为0.577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。

三、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javaXX： +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 1444
-XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=85

四、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：例如-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 ] vmid

option选项的合法值与具体含义如表所示：
在这里插入图片描述
代码清单是使用jmap生成一个正在运行的Eclipse的堆转储快照文件的例子，例子中的3500是通过jps命令查询到的LVMID。

jmap -dump:format=b,file=eclipse.bin 3500
Dumping heap to C:\Users\IcyFenix\eclipse.bin ...
Heap dump file created

五、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。下列代码清单演示了使用jhat分析上一节采用jmap生成的Eclipse IDE的内存快照文件。

jhat eclipse.bin
Reading from eclipse.bin...
Dump file created Fri Nov 19 22:07:21 CST 2010
Snapshot read, resolving...
Resolving 1225951 objects...
Chasing references, expect 245 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，如图所示。
在这里插入图片描述
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。

六、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 [ option ] vmid

option选项的合法值与具体含义如表所示：
在这里插入图片描述
下述代码清单是使用jstack查看Eclipse线程堆栈的例子，例子中的3500是通过jps命令查询到的
LVMID。

jstack -l 3500
2010-11-19 23:11:26
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (17.1-b03 mixed mode):
"[ThreadPool Manager] - Idle Thread" daemon prio=6 tid=0x0000000039dd4000 nid= 0xf50 in Object.wait() [0x0000000
	java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
		at java.lang.Object.wait(Native Method)
		- waiting on <0x0000000016bdcc60> (a org.eclipse.equinox.internal.util.impl.tpt.threadpool.Executor)
		at java.lang.Object.wait(Object.java:485)
		at org.eclipse.equinox.internal.util.impl.tpt.threadpool.Executor.run (Executor. java:106)
		- locked <0x0000000016bdcc60> (a org.eclipse.equinox.internal.util.impl.tpt.threadpool.Executor)
	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。使用这个方法可以通过简单的几行代码完成jstack的大部分功能，在实际项目中不妨调用这个方法做个管理员页面，可以随时使用浏览器来查看线程堆栈，如下述代码清单所示。

<%@ page import="java.util.Map"%>
<html>
<head>
<title>服务器线程信息</title>
</head>
<body>
<pre>
<%
	for (Map.Entry<Thread, StackTraceElement[]> stackTrace : Thread.getAllStack-Traces().entrySet()) {
		Thread thread = (Thread) stackTrace.getKey();
		StackTraceElement[] stack = (StackTraceElement[]) stackTrace.getValue();
		if (thread.equals(Thread.currentThread())) {
		continue;
		}
		out.print("\n线程： " + thread.getName() + "\n");
		for (StackTraceElement element : stack) {
		out.print("\t"+element+"\n");
		}
	}
%>
</pre>
</body>
</html>