JVM 调试工具入门

笔者上周末连续两天凌晨都收到了系统的内存使用率过高报警，在分析监控系统记录的内存使用率曲线和内存使用情况后发现，主要是因为在老年代迟迟没有触发full gc导致监控系统连续多次监测到可用内存过低，而触发的报警。在系统触发一次full gc之后，内存使用率会显著下降，报警也没有持续下去。由于无法复现问题，具体原因仍未找到，但是通过此过程，学习到的内存分析工具与方法，却值得记录一番。

jstat

jstat是HotSpot Java虚拟机的性能统计工具。其基本的语法描述如下:

jstat [generalOption | outputOptions | vmid [interval[s|ms] [count]]]

generalOption

generalOption是针对jstat功能的描述，包括两个参数 -help 与 -options ，分别用于提示jstat的用法和支持的统计选项。该选项具有排他性，只能单独使用。

outputOptions

outputOptions包括两类参数：状态统计和格式化输出。状态统计参数用于指定jstat命令希望获取虚拟机哪方面的信息，而格式化参数则用于控制命令输出的展示样式。

jstat支持的状态统计参数（即jstat -options的输出）及功能描述如下:

-class              统计类加载行为

-complier           统计HotSpot即时编译器的行为

-gc                 统计关于堆内存垃圾回收的行为

-gccapacity         统计堆内存中各分区的使用情况

-gccause            垃圾回收行为汇总，比-gcutil多输出最近两次垃圾回收的原因

-gcnew,-gcold       新生代，老年代行为信息（内存量，阈值，垃圾回收次数等）

-gcnewcapacity      新生代内存容量和使用量信息

-gcoldcapacity      老年代内存容量和使用量信息

-gcpermcapacity     持久区内存容量和使用量信息

-gcutil             垃圾回收行为汇总

-printcompilation   HotSpot编译方法统计

格式化参数包括三个：-h n ，-t 和 -JjavaOption. -h参数指定每隔n行重新显示一次列名;-t参数控制在输出第一列添加时间戳信息;-JjavaOption用于传递javaOption到java程序启动参数。比如，-J-Xms48m 设置java启动最小内存为48M。

vmid

vmid是待监测的目标java程序标识符，可用 jps 和Linux系统下的 ps 等操作获取。vmid参数也支持以URI形式指定的远程主机上运行的java程序，不常用，不再赘述。

interval and count

这两个参数用于控制jstat命令监测并输出的频率，interval默认参数为毫秒，如果设置了该参数，jstat命令将每隔interval的时间输出一次，count控制jstat命令输出样例的个数，也就是输出的行数。如果不设置，默认为无限，jstat会一直进行输出直到目标程序退出或者jstat命令终止。

样例

使用 -gcutil 参数查看进程16058发生的垃圾回收行为，每2秒打印一次结果，一共打印5次。命令输出的每一列都使用简称的形式展示，下图中 S0 表示Survivor 0区的空间使用比例， E, O, P 分别代表Eden, Old和Perm空间使用率，YGC 表示young gc的次数，YGCT 表示young gc消耗的时间。GCT 则用来统计执行gc的总时间。

jdt1

使用 -gc 参数查看更详细的垃圾回收与堆内存信息。 S0 以及 E 等各内存区域标识后缀中 C 表示 Capacity, U 表示Utilization，参数对应的数值显示的是真实容量，而不是百分比。

jdt2

使用 -gcnew 参数查看新生代的内存和垃圾回收情况，由于命令附带了参数 t ，所以第一列打印了时间戳的信息。 TT 参数表示对象在gc时被放入老年代的年龄期限阈值，MTT 参数表示最大阈值. 这两个参数之间 MTT 设定了 TT 可取的最大值，TT 实际控制着对象进入老年代的年龄限制，会随着垃圾回收过程而发生变化。

当年龄从1开始的对象大小累计超过了Survivor区域的1/2(TargetSurvivorRatio所定义)时，会计算一个Thenuring Threshold，超过这个年龄的新生代对象会进入到老年代，即使这时候新生代还有很多的空间。注意MaxTenuringThreshold只是设置了最大的Thenuring Threshold，不是说只有大于Max Tenuring Threshold才会进入到老年代，而是只要超过了计算出来的Tenuring Threshold就会进入老年代，MaxTenuringThreshold规定了Tenuring Threshold的最大值而已。Tenuring Threshold这个值在每一轮GC后都会动态计算，它与TargetSurvivorRatio以及Survivor区的大小有关系，TargetSurivivor默认是50即Survivor的1/2, 会计算出一个Desired Survivor Size，当年龄从1开始的对象大小累计超过了这个Desired Survivor Size，那么这个age就是Tenuring Threshold的值

jdt3

使用 -gcnewcapacity 参数查看新生代的内存占用情况。NGC : new generation capacity, 新生代内存大小。NGCMN 表示新生代分配内存的最小值，NGCMX 新生代分配内存的最大值，NGCMX=S0CMX+S1CMX+ECMX.

jdt4

jstack

jstack用于打印指定java进程或者核心文件中所有java线程当前时刻正在执行的方法堆栈追踪情况，也就是线程的snapshot。生成线程的快照主要用于定位线程长时间出现停顿的原因：如死锁，等待外部资源等。jstack的命令格式如下：

jstack [option] pid/executable core/[server-id@]remote-hostname-or-IP

- pid

待追踪的java进程ID，可使用jps等方式获得

- executable

产生core dump的java可执行程序(jar文件)

- core

打印栈追踪信息的核心文件

options

-F      当正常输出的请求(jstack [-l] pid)不被响应时，强制执行stack dump

-l      除了堆栈外，打印关于锁的附加信息

-m      如果调用本地方法，同时打印java和本地C/C++栈帧

-h      打印帮助

jstack在分析死锁，阻塞等性能问题上非常有用，根据打印的堆栈信息可以定位到出问题的代码段。定位问题的思路根据要解决的问题而发生不同，比如可以首先找到java进程中最耗cpu的线程，再根据线程id在jstack的输出中定位，或者使用指定的线程名称定位。下面看一下jstack的输出格式：

jdt5

main 线程名称

prio=5 线程优先级为5

tid=7f8a7c001800 jvm中线程标识符

nid=0x700000a19000 16进制表示的本地线程标识符

runnnable 线程状态

[70000a17000] 线程的起始地址

从第二行起为函数调用栈

上述信息中最重要的状态莫过于线程的状态，当程序发生问题时往往能够据此帮我们找到问题的所在。在jstack的输出中，线程所处的状态包括：

- Runnable: 正在运行

- Wait on condition: 该状态出现在线程等待某个条件的发生。具体是什么原因，可以结合 stacktrace来分析。最常见的情况是线程在等待网络的读写。如果网络数据没准备好，线程就等待在那里。另外一种出现 Wait on condition的常见情况是该线程在 sleep，等待 sleep的时间到了时候，将被唤醒。

- Wait for monitor entry: Java通过对象监视器来进行线程的互斥与同步的，每个对象都有一个对象监视器，在对对象加锁的过程中，任何时刻只有一个线程拥有这个对象监视器，其他请求获得此资源的线程将会被分为两种：在线程获取到对象监视器，但等待的资源仍未到达时，线程可能调用Object.wait()，释放锁并进入Object.wait()的状态，重新等待；而那些从未获得过此对象监视器的线程就将被标识为Wait for monitor entry的状态。

- Object.wait: 等待对象监视器（锁）的状态。

关于两种等待状态可以参考下面的图（来源于网络）：

jdt6

jmap

jmap用于生成java进程的heapdump或者堆内存的详细信息。可以用来分析java程序堆内存被各种实例占据的比例或者GC回收了哪些对象等信息。jmap的命令格式与jstack一致，不再赘述。

options

-

打印每一个共享对象的起始地址，范围等信息

-dump:\[live,]format=b,file=

以二进制形式打印java堆的dump信息到指定文件中，指定live参数，只打印存活的对象

-heap

显示java堆的详细信息：GC算法，堆配置以及分代情况

-histo\[:live]

显示堆中每一个java类实例的个数，占据空间的大小，类名全称等。live参数控制输出存活对象。

-premstat

以classLoader为统计入口，显示永久代的生存状态。每个加载器的名称，存活状态，地址，父加载器和已经加载类的数量等信息将被打印。

-F

在正常的命令对-dump或者-histo没有响应时，强制执行，生成dump信息

-J

map启动时传递给jvm的参数，比如在64位机器上就要使用jmap -J-d64 -heap pid来执行命令。