現實企業級Java開發中，有時候我們會碰到下面這些問題：

• OutOfMemoryError，記憶體不足

• 記憶體洩露

• 執行緒死鎖

• 鎖爭用（Lock Contention）

• Java程序消耗CPU過高

• ......

    這些問題在日常開發中可能被很多人忽視（比如有的人遇到上面的問題只是重啟伺服器或者調大記憶體，而不會深究問題根源），但能夠理解並解決這些問題是Java程式設計師進階的必備要求。本文將對一些常用的JVM效能調優監控工具進行介紹，希望能起拋磚引玉之用。本文參考了網上很多資料，難以一一列舉，在此對這些資料的作者表示感謝！關於JVM效能調優相關的資料，請參考文末。

A、

    jps主要用來輸出JVM中執行的程序狀態資訊。語法格式如下：

jps [options] [hostid]

    如果不指定hostid就預設為當前主機或伺服器。

    命令列引數選項說明如下：

-q 不輸出類名、Jar名和傳入main方法的引數
-m 輸出傳入main方法的引數
-l 輸出main類或Jar的全限名
-v 輸出傳入JVM的引數

   比如下面：

[email protected]:/# jps -m -l2458 org.artifactory.standalone.main
 
.Main /usr/local/artifactory-2.2.5/etc/jetty.xml
29920 com.sun.tools.hat.Main -port 9998 /tmp/dump.dat
3149 org.apache.catalina.startup.Bootstrap start
30972 sun.tools.jps.Jps -m -l
8247 org.apache.catalina.startup.Bootstrap start
25687 com.sun.tools.hat.Main -port 9999 dump.dat
21711 mrf-center.jar

B、 jstack

    jstack主要用來檢視某個Java程序內的執行緒堆疊資訊。語法格式如下：

jstack [option] pid
jstack [option] executable core
jstack [option] [server[email protected]]remote-hostname-or-ip

    命令列引數選項說明如下：

-l long listings，會打印出額外的鎖資訊，在發生死鎖時可以用jstack -l pid來觀察鎖持有情況
-m mixed mode，不僅會輸出Java堆疊資訊，還會輸出C/C++堆疊資訊（比如Native方法）

    jstack可以定位到執行緒堆疊，根據堆疊資訊我們可以定位到具體程式碼，所以它在JVM效能調優中使用得非常多。下面我們來一個例項找出某個Java程序中最耗費CPU的Java執行緒並定位堆疊資訊，用到的命令有ps、top、printf、jstack、grep。

    第一步先找出Java程序ID，我部署在伺服器上的Java應用名稱為mrf-center：

root@ubuntu:/# ps -ef | grep mrf-center | grep -v grep
root     21711     1  1 14:47 pts/3    00:02:10 java -jar mrf-center.jar

    得到程序ID為21711，第二步找出該程序內最耗費CPU的執行緒，可以使用ps -Lfp pid或者ps -mp pid -o THREAD, tid, time或者top -Hp pid，我這裡用第三個，輸出如下：

    TIME列就是各個Java執行緒耗費的CPU時間，CPU時間最長的是執行緒ID為21742的執行緒，用

printf "%x\n" 21742

    得到21742的十六進位制值為54ee，下面會用到。    

    OK，下一步終於輪到jstack上場了，它用來輸出程序21711的堆疊資訊，然後根據執行緒ID的十六進位制值grep，如下：

[email protected]:/# jstack 21711 | grep 54ee"PollIntervalRetrySchedulerThread" prio=10 tid=0x00007f950043e000 nid=0x54ee in Object.wait() [0x00007f94c6eda000]

    可以看到CPU消耗在PollIntervalRetrySchedulerThread這個類的Object.wait()，我找了下我的程式碼，定位到下面的程式碼：

// Idle wait
getLog().info("Thread [" + getName() + "] is idle waiting...");
schedulerThreadState = PollTaskSchedulerThreadState.IdleWaiting;
long now = System.currentTimeMillis();
long waitTime = now + getIdleWaitTime();
long timeUntilContinue = waitTime - now;
synchronized(sigLock) {
    try {
    	if(!halted.get()) {
    		sigLock.wait(timeUntilContinue);
    	}
    } 
    catch (InterruptedException ignore) {
    }
}

    它是輪詢任務的空閒等待程式碼，上面的sigLock.wait(timeUntilContinue)就對應了前面的Object.wait()。

C、 jmap（Memory Map）和jhat（Java Heap Analysis Tool）

    jmap用來檢視堆記憶體使用狀況，一般結合jhat使用。

    jmap語法格式如下：

jmap [option] pid
jmap [option] executable core
jmap [option] [server[email protected]]remote-hostname-or-ip

    如果執行在64位JVM上，可能需要指定-J-d64命令選項引數。

jmap -permstat pid

    列印程序的類載入器和類載入器載入的持久代物件資訊，輸出：類載入器名稱、物件是否存活（不可靠）、物件地址、父類載入器、已載入的類大小等資訊，如下圖：

   使用jmap -heap pid檢視程序堆記憶體使用情況，包括使用的GC演算法、堆配置引數和各代中堆記憶體使用情況。比如下面的例子：

[email protected]:/# jmap -heap 21711
Attaching to process ID 21711, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 20.10-b01

using thread-local object allocation.
Parallel GC with 4 thread(s)

Heap Configuration:
   MinHeapFreeRatio = 40
   MaxHeapFreeRatio = 70
   MaxHeapSize      = 2067791872 (1972.0MB)
   NewSize          = 1310720 (1.25MB)
   MaxNewSize       = 17592186044415 MB
   OldSize          = 5439488 (5.1875MB)
   NewRatio         = 2
   SurvivorRatio    = 8
   PermSize         = 21757952 (20.75MB)
   MaxPermSize      = 85983232 (82.0MB)

Heap Usage:
PS Young Generation
Eden Space:
   capacity = 6422528 (6.125MB)
   used     = 5445552 (5.1932830810546875MB)
   free     = 976976 (0.9317169189453125MB)
   84.78829520089286% used
From Space:
   capacity = 131072 (0.125MB)
   used     = 98304 (0.09375MB)
   free     = 32768 (0.03125MB)
   75.0% used
To Space:
   capacity = 131072 (0.125MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 131072 (0.125MB)
   0.0% used
PS Old Generation
   capacity = 35258368 (33.625MB)
   used     = 4119544 (3.9287033081054688MB)
   free     = 31138824 (29.69629669189453MB)
   11.683876009235595% used
PS Perm Generation
   capacity = 52428800 (50.0MB)
   used     = 26075168 (24.867218017578125MB)
   free     = 26353632 (25.132781982421875MB)
   49.73443603515625% used
   ....

    使用jmap -histo[:live] pid檢視堆記憶體中的物件數目、大小統計直方圖，如果帶上live則只統計活物件，如下：

[email protected]:/# jmap -histo:live 21711 | more

 num     #instances         #bytes  class name
----------------------------------------------
   1:         38445        5597736  <constMethodKlass>
   2:         38445        5237288  <methodKlass>
   3:          3500        3749504  <constantPoolKlass>
   4:         60858        3242600  <symbolKlass>
   5:          3500        2715264  <instanceKlassKlass>
   6:          2796        2131424  <constantPoolCacheKlass>
   7:          5543        1317400  [I
   8:         13714        1010768  [C
   9:          4752        1003344  [B
  10:          1225         639656  <methodDataKlass>
  11:         14194         454208  java.lang.String
  12:          3809         396136  java.lang.Class
  13:          4979         311952  [S
  14:          5598         287064  [[I
  15:          3028         266464  java.lang.reflect.Method
  16:           280         163520  <objArrayKlassKlass>
  17:          4355         139360  java.util.HashMap$Entry
  18:          1869         138568  [Ljava.util.HashMap$Entry;
  19:          2443          97720  java.util.LinkedHashMap$Entry
  20:          2072          82880  java.lang.ref.SoftReference
  21:          1807          71528  [Ljava.lang.Object;
  22:          2206          70592  java.lang.ref.WeakReference
  23:           934          52304  java.util.LinkedHashMap
  24:           871          48776  java.beans.MethodDescriptor
  25:          1442          46144  java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry
  26:           804          38592  java.util.HashMap
  27:           948          37920  java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Segment
  28:          1621          35696  [Ljava.lang.Class;
  29:          1313          34880  [Ljava.lang.String;
  30:          1396          33504  java.util.LinkedList$Entry
  31:           462          33264  java.lang.reflect.Field
  32:          1024          32768  java.util.Hashtable$Entry
  33:           948          31440  [Ljava.util.concurrent.ConcurrentHashMap$HashEntry;

    class name是物件型別，說明如下：

B  byte
C  char
D  double
F  float
I  int
J  long
Z  boolean
[  陣列，如[I表示int[]
[L+類名 其他物件

    還有一個很常用的情況是：用jmap把程序記憶體使用情況dump到檔案中，再用jhat分析檢視。jmap進行dump命令格式如下：

jmap -dump:format=b,file=dumpFileName pid

    我一樣地對上面程序ID為21711進行Dump：

[email protected]:/# jmap -dump:format=b,file=/tmp/dump.dat 21711     
Dumping heap to /tmp/dump.dat ...
Heap dump file created

   dump出來的檔案可以用MAT、VisualVM等工具檢視，這裡用jhat檢視：

[email protected]:/# jhat -port 9998 /tmp/dump.dat
Reading from /tmp/dump.dat...
Dump file created Tue Jan 28 17:46:14 CST 2014
Snapshot read, resolving...
Resolving 132207 objects...
Chasing references, expect 26 dots..........................
Eliminating duplicate references..........................
Snapshot resolved.
Started HTTP server on port 9998
Server is ready.

     注意如果Dump檔案太大，可能需要加上-J-Xmx512m這種引數指定最大堆記憶體，即jhat -J-Xmx512m -port 9998 /tmp/dump.dat。然後就可以在瀏覽器中輸入主機地址:9998查看了：

    上面紅線框出來的部分大家可以自己去摸索下，最後一項支援OQL（物件查詢語言）。

D、jstat（JVM統計監測工具）

    語法格式如下：

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

    vmid是Java虛擬機器ID，在Linux/Unix系統上一般就是程序ID。interval是取樣時間間隔。count是取樣數目。比如下面輸出的是GC資訊，取樣時間間隔為250ms，取樣數為4：

root@ubuntu:/# jstat -gc 21711 250 4
 S0C    S1C    S0U    S1U      EC       EU        OC         OU       PC     PU    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT   
192.0  192.0   64.0   0.0    6144.0   1854.9   32000.0     4111.6   55296.0 25472.7    702    0.431   3      0.218    0.649192.0  192.0   64.0   0.0    6144.0   1972.2   32000.0     4111.6   55296.0 25472.7    702    0.431   3      0.218    0.649192.0  192.0   64.0   0.0    6144.0   1972.2   32000.0     4111.6   55296.0 25472.7    702    0.431   3      0.218    0.649192.0  192.0   64.0   0.0    6144.0   2109.7   32000.0     4111.6   55296.0 25472.7    702    0.431   3      0.218    0.649

    要明白上面各列的意義，先看JVM堆記憶體佈局：

    可以看出：

堆記憶體 = 年輕代 + 年老代 + 永久代
年輕代 = Eden區 + 兩個Survivor區（From和To）

    現在來解釋各列含義：

S0C、S1C、S0U、S1U：Survivor 0/1區容量（Capacity）和使用量（Used）
EC、EU：Eden區容量和使用量
OC、OU：年老代容量和使用量
PC、PU：永久代容量和使用量
YGC、YGT：年輕代GC次數和GC耗時
FGC、FGCT：Full GC次數和Full GC耗時
GCT：GC總耗時

E、hprof（Heap/CPU Profiling Tool）

    hprof能夠展現CPU使用率，統計堆記憶體使用情況。

    語法格式如下：

java -agentlib:hprof[=options] ToBeProfiledClassjava -Xrunprof[:options] ToBeProfiledClassjavac -J-agentlib:hprof[=options] ToBeProfiledClass

    完整的命令選項如下：

Option Name and Value  Description                    Default
---------------------  -----------                    -------
heap=dump|sites|all    heap profiling                 all
cpu=samples|times|old  CPU usage                      off
monitor=y|n            monitor contention             nformat=a|b             text(txt) or binary output     a
file=<file>            write data to file             java.hprof[.txt]
net=<host>:<port>      send data over a socket        off
depth=<size>           stack trace depth              4
interval=<ms>          sample interval in ms          10
cutoff=<value>         output cutoff point            0.0001
lineno=y|n             line number in traces?         y
thread=y|n             thread in traces?              ndoe=y|n                dump on exit?                  y
msa=y|n                Solaris micro state accounting n
force=y|n              force output to <file>         y
verbose=y|n            print messages about dumps     y

    來幾個官方指南上的例項。

    CPU Usage Sampling Profiling(cpu=samples)的例子：

java -agentlib:hprof=cpu=samples,interval=20,depth=3 Hello

    上面每隔20毫秒取樣CPU消耗資訊，堆疊深度為3，生成的profile檔名稱是java.hprof.txt，在當前目錄。 

    CPU Usage Times Profiling(cpu=times)的例子，它相對於CPU Usage Sampling Profile能夠獲得更加細粒度的CPU消耗資訊，能夠細到每個方法呼叫的開始和結束，它的實現使用了位元組碼注入技術（BCI）：

javac -J-agentlib:hprof=cpu=times Hello.java

    Heap Allocation Profiling(heap=sites)的例子：

javac -J-agentlib:hprof=heap=sites Hello.java

    Heap Dump(heap=dump)的例子，它比上面的Heap Allocation Profiling能生成更詳細的Heap Dump資訊：

javac -J-agentlib:hprof=heap=dump Hello.java

    雖然在JVM啟動引數中加入-Xrunprof:heap=sites引數可以生成CPU/Heap Profile檔案，但對JVM效能影響非常大，不建議在線上伺服器環境使用