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 FlightRecorder），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。

jps：虚拟机进程状况工具

jps（JVM Process Status Tool）：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）。

jps命令格式：
jps [ options ] [ hostid ]

jps执行样例：

  1. jps -l
  2. 2388 D:\Develop\glassfish\bin\..\modules\admin-cli.jar
  3. 2764 com.sun.enterprise.glassfish.bootstrap.ASMain
  4. 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。
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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[1]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。
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。
jstat工具主要选项
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jstat执行样例

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

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。

jinfo命令格式：
jinfo [ option ] pid
**
执行样例：查询CMSInitiatingOccupancyFraction参数值

  1. jinfo -flag CMSInitiatingOccupancyFraction 1444
  2. -XX:CMSInitiatingOccupancyFraction=85

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）。
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。
jmap命令格式：
jmap [ option ] vmid
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执行样例：使用jmap生成dump文件

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

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。实际工作中，很少使用。

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
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执行样例：使用jstack查看线程堆栈（部分结果）

  1. jstack -l 3500
  2. 2010-11-19 23:11:26
  3. Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (17.1-b03 mixed mode):
  4. "[ThreadPool Manager] - Idle Thread" daemon prio=6 tid=0x0000000039dd4000 nid= 0xf50 in Object.wait() [0x000000003c96f000]
  5.         java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
  6.                 at java.lang.Object.wait(Native Method)
  7.                 - waiting on <0x0000000016bdcc60> (a org.eclipse.equinox.internal.util.impl.tpt.threadpool.Executor)
  8.                 at java.lang.Object.wait(Object.java:485)
  9.                 at org.eclipse.equinox.internal.util.impl.tpt.threadpool.Executor.run (Executor. java:106)
  10.                 - locked <0x0000000016bdcc60> (a org.eclipse.equinox.internal.util.impl.tpt.threadpool.Executor)
  11.         Locked ownable synchronizers:
  12.                 - None

基础工具总结

  • 基础工具：用于支持基本的程序创建和运行

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  • 安全：用于程序签名、设置安全测试等

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  • 国际化：用于创建本地语言文件

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  • 远程方法调用：用于跨Web或网络的服务交互

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  • 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

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  • 部署工具：用于程序打包、发布和部署

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  • Java Web Start

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  • 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

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  • WebService工具：与CORBA一起在JDK11中被移除

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  • REPL和脚本工具

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可视化故障处理工具

这类工具主要包括JConsole、JHSDB、VisualVM和JMC四个。其中，JConsole是最古老，早在JDK 5时期就已经存在的虚拟机监控工具，而JHSDB虽然名义上是JDK 9中才正式提供，但之前已经以sa-jdi.jar包里面的HSDB（可视化工具）和CLHSDB（命令行工具）的形式存在了很长一段时间[1]。它们两个都是JDK的正式成员，随着JDK一同发布，无须独立下载，使用也是完全免费的。
VisualVM在JDK 6 Update 7中首次发布，直到JRockit Mission Control与OracleJDK的融合工作完成之前，它都曾是Oracle主力推动的多合一故障处理工具，现在它已经从OracleJDK中分离出来，成为一个独立发展的开源项目[2]。VisualVM已不是JDK中的正式成员，但仍是可以免费下载、使用的。
Java Mission Control，在JDK 7 Update 40时开始随JDK一起发布，JMC需要与HotSpot内部的“飞行记录仪”（Java Flight Recorder，JFR）配合才能工作，而在JDK 11以前，JFR的开启必须解锁OracleJDK的商业特性支持（使用JCMD的VM.unlock_commercial_features或启动时加入-XX：+UnlockCommercialFeatures参数），所以这项功能在生产环境中仍然是需要付费才能使用的商业特性。

JHSDB：基于服务性代理的调试工具

JDK中提供了JCMD和JHSDB两个集成式的多功能工具箱，它们不仅整合了上一节介绍到的所有基础工具所能提供的专项功能，而且由于有着“后发优势”，能够做得往往比之前的老工具们更好、更强大，表4-15所示是JCMD、JHSDB与原基础工具实现相同功能的简要对比。
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JHSDB是一款基于服务性代理（Serviceability Agent，SA）实现的进程外调试工具。服务性代理是HotSpot虚拟机中一组用于映射Java虚拟机运行信息的、主要基于Java语言（含少量JNI代码）实现的API集合。服务性代理以HotSpot内部的数据结构为参照物进行设计，把这些C++的数据抽象出Java模型对象，相当于HotSpot的C++代码的一个镜像。通过服务性代理的API，可以在一个独立的Java虚拟机的进程里分析其他HotSpot虚拟机的内部数据，或者从HotSpot虚拟机进程内存中dump出来的转储快照里还原出它的运行状态细节。服务性代理的工作原理跟Linux上的GDB或者Windows上的Windbg是相似的。

JConsole：Java监视与管理控制台

JConsole（Java Monitoring and Management Console）是一款基于JMX（Java Manage-ment Extensions）的可视化监视、管理工具。它的主要功能是通过JMX的MBean（Managed Bean）对系统进行信息收集和参数动态调整。JMX是一种开放性的技术，不仅可以用在虚拟机本身的管理上，还可以运行于虚拟机之上的软件中，典型的如中间件大多也基于JMX来实现管理与监控。虚拟机对JMXMBean的访问也是完全开放的，可以使用代码调用API、支持JMX协议的管理控制台，或者其他符合JMX规范的软件进行访问。
1.启动JConsole
通过JDK/bin目录下的jconsole.exe启动JCon-sole后，会自动搜索出本机运行的所有虚拟机进程
2.内存监控
“内存”页签的作用相当于可视化的jstat命令，用于监视被收集器管理的虚拟机内存（被收集器直接管理的Java堆和被间接管理的方法区）的变化趋势。
3.线程监控
“线程”页签的功能就相当于可视化的jstack命令了，遇到线程停顿的时候可以使用这个页签的功能进行分析。

VisualVM：多和-故障处理工具

VisualVM（All-in-One Java Troubleshooting Tool）是功能最强大的运行监视和故障处理程序之一。

1.VisualVM兼容范围与插件安装
有了插件扩展支持，VisualVM可以做到：

  • 显示虚拟机进程以及进程的配置、环境信息（jps、jinfo）。
  • 监视应用程序的处理器、垃圾收集、堆、方法区以及线程的信息（jstat、jstack）。
  • dump以及分析堆转储快照（jmap、jhat）。
  • 方法级的程序运行性能分析，找出被调用最多、运行时间最长的方法。
  • 离线程序快照：收集程序的运行时配置、线程dump、内存dump等信息建立一个快照，可以将快照发送开发者处进行Bug反馈。
  • 其他插件带来的无限可能性。

2.生成、浏览堆转储快照
在VisualVM中生成堆转储快照文件有两种方式，可以执行下列任一操作：

  • 在“应用程序”窗口中右键单击应用程序节点，然后选择“堆Dump”。
  • 在“应用程序”窗口中双击应用程序节点以打开应用程序标签，然后在“监视”标签中单击“堆Dump”。

3.分析程序性能
在Profiler页签中，VisualVM提供了程序运行期间方法级的处理器执行时间分析以及内存分析。做Profiling分析肯定会对程序运行性能有比较大的影响，所以一般不在生产环境使用这项功能，或者改用JMC来完成，JMC的Profiling能力更强，对应用的影响非常轻微。

4.BTrace动态日志跟踪
BTrace[3]是一个很神奇的VisualVM插件，它本身也是一个可运行的独立程序。BTrace的作用是在不中断目标程序运行的前提下，通过HotSpot虚拟机的Instrument功能[4]动态加入原本并不存在的调试代码。
BTrace能够实现动态修改程序行为，是因为它是基于Java虚拟机的Instrument开发的。Instrument是Java虚拟机工具接口（Java Virtual Machine Tool Interface，JVMTI）的重要组件，提供了一套代理（Agent）机制，使得第三方工具程序可以以代理的方式访问和修改Java虚拟机内部的数据。

Java Mission Console：可持续在线的监控工具

JFR是一套内建在HotSpot虚拟机里面的监控和基于事件的信息搜集框架，与其他的监控工具（如JProfiling）相比，Oracle特别强调它“可持续在线”（Always-On）的特性。JFR在生产环境中对吞吐量的影响一般不会高于1%（甚至号称是Zero Performance Overhead），而且JFR监控过程的开始、停止都是完全可动态的，即不需要重启应用。JFR的监控对应用也是完全透明的，即不需要对应用程序的源码做任何修改，或者基于特定的代理来运行。

HotSpot虚拟机插件及工具

在HotSpot源码hotspot/src/share/tools目录下，包括（含曾经有过但新版本中已被移除的）：

  • Ideal Graph Visualizer：用于可视化展示C2即时编译器是如何将字节码转化为理想图，然后转化为机器码的。
  • Client Compiler Visualizer[1]：用于查看C1即时编译器生成高级中间表示（HIR），转换成低级中间表示（LIR）和做物理寄存器分配的过程。
  • MakeDeps：帮助处理HotSpot的编译依赖的工具。
  • Project Creator：帮忙生成Visual Studio的.project文件的工具。
  • LogCompilation：将-XX：+LogCompilation输出的日志整理成更容易阅读的格式的工具。
  • HSDIS：即时编译器的反汇编插件。

HSDIS：JIT生成代码反汇编
HSDIS是一个被官方推荐的HotSpot虚拟机即时编译代码的反汇编插件，它包含在HotSpot虚拟机的源码当中[2]，在OpenJDK的网站[3]也可以找到单独的源码下载，但并没有提供编译后的程序。
HSDIS插件的作用是让HotSpot的-XX：+PrintAssembly指令调用它来把即时编译器动态生成的本地代码还原为汇编代码输出，同时还会自动产生大量非常有价值的注释，这样我们就可以通过输出的汇编代码来从最本质的角度分析问题。