[JVM/APM] 应用诊断工具之VisualVM

1 概述

1.1 简介

VisualVM is a visual tool integrating commandline JDK tools and lightweight profiling capabilities. See https://visualvm.github.io for details, downloads and documentation.
VisualVM 是一款集成了命令行JDK工具和轻量化分析能力的可视化工具。
详情、下载、文档请参见 https://visualvm.github.io。

1.2 获取本工具

Use Apache Ant 1.9.9 or above and Oracle JDK 8 to build VisualVM from this repository.

1.3 获取源码

First download or clone this repository into directory visualvm. There are two project suites included:首先下载或克隆这个仓库(https://github.com/oracle/visualvm)到visualvm目录下。这里包含有2个项目套件：

• visualvm (visualvm/visualvm) - suite for the core VisualVM tool
• plugins (visualvm/plugins) - suite for the VisualVM plugins available in Plugins Center

1.4 如何运行

1.4.1 ant 方式

To run VisualVM, use ant run command in the visualvm/visualvm directory.

1.4.2 windows cmd 方式

本节以 Windows 10、JDK=1.8 ，VisualVM Version = 2.1.5 为例。

• Step1 编辑${VisualVM_HOME}/etc/visualvm.conf文件，设置JDK路径

#visualvm_jdkhome="/path/to/jdk"
visualvm_jdkhome="D:\Program\Java\jdk1.8.0_261"

此步骤是为了防止启动失败、并报错Connot find Java 1.8 or higher

• Step2 双击${VisualVM_HOME}\bin\visualvm.exe启动

• Step3 安装所需插件 | 可选步骤

菜单路径：Tools > Plugins

• Step4 调试应用程序 或 heap / thread dump 文件

Step4.1 以导入 thread dump 文件为例：

Step4.2 以监听某个运行中的应用为例：

注：启动后运行过程中的软件数据存放于C:\Users\${USER}\AppData\Roaming\VisualVM，此目录可按自己需要进行重置、清理。

2 JVM 线程分析基础

2.1 Java线程状态

在Java中，线程的状态主要分为以下几种：

• 新建（New）：线程被创建时的状态。
• 就绪（Runnable）：当线程已经被启动并且没有任何阻止它立即运行的条件时，线程处于这种状态。此时，线程在等待CPU分配时间片，即等待操作系统调度。
• 运行（Running）：线程获得CPU资源并执行其代码。
• 阻塞（Blocked）：当线程等待某些资源或满足某些条件（例如，等待I/O操作完成）时，它进入阻塞状态。
• 等待（Waiting）：线程进入等待状态，直到另一个线程执行特定的操作（如通知或中断）。
• 超时等待（Timed Waiting）：这是在一定时间内进入等待状态的线程的状态。
• 终止（Terminated）：当线程已经执行完毕或者异常结束时，它处于这种状态。

2.2 最佳实践

thread dump 文件里，值得关注的线程状态有：

• 死锁， Deadlock（重点关注）
• 执行中，Runnable
• 等待资源， Waiting on condition（重点关注）
• 等待获取监视器， Waiting on monitor entry（重点关注）
• 暂停，Suspended
• 对象等待中，Object.wait() 或 TIMED\_WAITING
• 阻塞， Blocked（重点关注）
• 停止，Parked

详见：[JVM] Java Thread Dump 分析 - 博客园/千千寰宇

2.3 案例

2.3.1 案例：网约车场景业务代码讲解线程状态的转变过程

以下是根据网约车场景编写的完整的业务代码，来讲解线程状态的转变过程：

public class Order {
  private boolean isConfirmed;

  public synchronized void confirmOrder() {
    while (!isConfirmed) {
      try {
        wait(); // 等待订单被确认
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
    }
  }

  public synchronized void confirm() {
    isConfirmed = true;
    notifyAll(); // 通知所有等待的线程订单已被确认
  }
}

public class Driver {
  private Order order;

  public Driver(Order order) {
    this.order = order;
  }

  public void confirmOrder() {
    order.confirmOrder(); // 等待订单被确认
  }
}

public class Passenger {
  private Order order;

  public Passenger(Order order) {
    this.order = order;
  }

  public void confirmOrder() {
    order.confirm(); // 确认订单
  }
}

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    Order order = new Order();
    Driver driver = new Driver(order);
    Passenger passenger = new Passenger(order);

    Thread driverThread = new Thread(() -> {
      driver.confirmOrder();
    });

    Thread passengerThread = new Thread(() -> {
      try {
        Thread.sleep(1000); // 模拟乘客确认订单的时间延迟
      } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
      }
      passenger.confirmOrder();
    });

    driverThread.start();
    passengerThread.start();
  }
}

在这个例子中，司机端线程和乘客线程都访问同一个订单对象。当司机端线程尝试获取乘客订单时，它必须先获取这个订单的锁，因此它处于monitor状态。当乘客确认订单后，司机端线程会收到通知，并继续执行代码，因此它会从wait状态转变为running状态。在这个过程中，乘客线程会先进入sleeping状态（模拟乘客确认订单的时间延迟），然后在确认订单后进入running状态。

让我们结合以上代码来说明线程状态是如何转换的：

• 新建（New）：一个线程在它被创建时处于这种状态。在您的代码中，当您创建一个新的线程实例（如Thread driverThread = new Thread(() -> {...});）时，线程处于新建状态。
• 就绪（Runnable）：当线程已经被启动并且没有任何阻止它立即运行的条件时，线程处于这种状态。在您的代码中，当driverThread.start();和passengerThread.start();被调用时，两个线程进入就绪状态，等待CPU分配时间片。
• 运行（Running）：线程获得CPU资源并执行其代码。在您的代码中，当driver.confirmOrder();和passenger.confirmOrder();被执行时，线程正在运行。
• 阻塞（Blocked）：当线程等待某些资源或满足某些条件（例如，等待I/O操作完成）时，它进入阻塞状态。在您的代码中，当driver.confirmOrder();在循环中调用wait()方法时，它会释放对象的锁并进入等待（Waiting）状态。注意，这里不是阻塞状态，因为wait()方法是由当前线程主动调用的。
• 等待（Waiting）：线程进入等待状态，直到另一个线程执行特定的操作（如通知或中断）。在您的代码中，当driver.confirmOrder();调用wait()方法时，它会进入等待状态，直到passenger.confirmOrder();调用notifyAll()方法。
• 超时等待（Timed Waiting）：这是在一定时间内进入等待状态的线程的状态。在您的代码中，没有体现这种状态。
• 终止（Terminated）：当线程已经执行完毕或者异常结束时，它处于这种状态。在您的代码中，当driver.confirmOrder();和passenger.confirmOrder();执行完毕时，两个线程将结束并处于终止状态。

需要注意的是，线程状态的转换可能会受到多种因素的影响，例如线程的优先级、CPU的调度策略等。此外，Java中的线程状态转换并不是完全独立的，多个状态之间可能存在重叠和交互。

3 VisualVM 线程分析

3.1 线程状态

在JVisualVM的线程面板中，你可以看到以下线程状态：

• monitor：对应Java线程的"阻塞"状态。这表示线程正在等待进入某个同步块，但还没有成功获取到所需的锁。
  • Monitor：线程正在监视一个对象，等待获取该对象的monitor（即对象的锁）。
  • 例如，当线程需要访问共享资源时，它必须先获取该资源的锁。在网约车系统中，假设有一个“共享资源”是乘客的订单信息。当司机端线程尝试获取乘客订单时，它必须先获取这个订单的锁。

synchronized(order) {
  // 司机端线程处于monitor状态，获取乘客订单信息
}

• running：对应Java线程的"就绪"和"运行"状态。这表示线程正在执行或者已经准备好执行，只需等待CPU时间片。
  • Running：线程正在执行代码并且没有被阻塞。
  • 例如，在网约车系统中，当司机端线程获取到乘客订单后，开始导航去接乘客，这个时候司机端线程处于running状态。

while(driver.hasOrder) {
  // 司机端线程处于running状态，导航去接乘客
}

• sleeping：对应Java线程的"超时等待"状态。这表示线程在一段时间内无法获得所需资源，例如Thread.sleep()或者Object.wait(long timeout)的调用。
  • Sleeping：线程暂时不会执行任何代码，直到被唤醒。在网约车系统中，假设有一个“空闲时间”的概念，即司机在没有订单的时候，线程会进入sleeping状态，等待新的订单。

try {
  Thread.sleep(idleTime); // 司机端线程处于sleeping状态，等待新的订单
} catch (InterruptedException e) {
  e.printStackTrace();
}

• wait：对应Java线程的"等待"状态。这表示线程正在等待某个特定的条件成立，例如等待某个锁的释放。
  • Wait：线程正在等待一个特定的条件变为真，或者等待另一个线程执行某个特定的操作。
  • 例如，在网约车系统中，当司机完成订单后，需要等待乘客确认订单完成。这个时候司机端线程就处于wait状态。

synchronized(order) {
  while(!order.isConfirmed) {
    order.wait(); // 司机端线程处于wait状态，等待乘客确认订单完成
  }
}

• park：对应Java线程的"超时等待"状态。这通常表示线程正在等待一个特定的对象或者锁，但如果在指定的时间内没有获得，则线程将被唤醒并继续执行。
  • Park：线程不会执行任何代码，直到被取消暂停。
  • 例如，在网约车系统中，假设有一种“暂停服务”的情况，即司机在完成订单后选择暂停服务，这个时候司机端线程就处于park状态。

LockSupport.park(); // 司机端线程处于park状态，暂停服务

在Java中，线程的状态转换从wait状态先变为runnable状态，然后再获得CPU时间片（或者说竞争到CPU执行权），最终转变为running状态。

3.2 线程堆栈

从JVisualVM dump线程的堆栈情况来看，你可以看到以下线程状态：：

• Runnable：对应Java线程的"就绪"和"运行"状态。这表示线程正在执行或者已经准备好执行，只需等待CPU时间片。
• Waiting on condition：对应Java线程的"等待"状态。这表示线程正在等待某个特定的条件成立，例如等待某个锁的释放。
• Waiting on monitor entry：对应Java线程的"阻塞"状态。这表示线程正在等待进入某个同步块，但还没有成功获取到所需的锁。
• Parking to wait for <0x000000079ae48820> (a java.util.concurrent.locks.ReentrantLock$NonfairSync)：这也是一种"等待"状态，表示线程正在等待一个特定的对象或者锁。
• TIMED_WAITING：对应Java线程的"超时等待"状态。这表示线程在一段时间内无法获得所需资源，例如Thread.sleep()或者Object.wait(long timeout)的调用。
• TERMINATED：对应Java线程的"终止"状态。这表示线程已经完成执行或者由于异常而结束。

注意，JVisualVM的线程状态和Java的线程状态并不是完全一一对应的，有的JVisualVM线程状态可能包含了Java线程的多个状态。

在jvisualvm的性能监控面板中，我们可以看到应用程序的CPU和内存使用情况。如果应用程序的CPU使用率很高，那么说明它正在处理大量的请求或者进行一些计算密集型的操作。如果应用程序的内存使用率很高，那么说明它正在使用大量的内存来处理请求或者存储数据。

4 VisualVM的重要插件

博主已安装过的插件:

• VisualVM-TDA-Module

TDA = Thread Dump Analysis
TDA是ThreadDumpAnalyzer的缩写，是一款线程快照分析工具。
当使用jstack或者VisualVM等工具取得线程快照文件后，通过文本编辑器查看和分析线程快照文件是一件非常艰难的事情。而TDA的功能就在 于帮助开发者分析导出的线程快照。
TDA可以在 http://java.net/projects/tda/上下载。

5 JVM 线程分析工具

• 操作系统
  • kill -3 {pid}
    • kill -3 是一个 Unix/Linux 系统中的命令，用于向进程发送一个 SIGQUIT 信号。SIGQUIT 信号通常用于请求进程进行核心转储（dump core），以便进行调试和分析。
    • 当你在终端中运行 kill -3 <进程ID> 时，会向指定进程发送 SIGQUIT 信号，进程会收到该信号并执行相应的操作。通常情况下，进程会生成一个核心转储文件，其中包含了进程在发生错误或异常时的内存和寄存器状态。这个核心转储文件可以用于后续的调试和分析。
    • 注意：kill -3 命令只是向进程发送信号，具体的操作和响应取决于进程的实现。不同的进程可能对 SIGQUIT 信号有不同的处理方式，有些进程可能会忽略该信号，而有些进程可能会执行特定的操作。在使用 kill -3 命令时，请确保你有足够的权限来发送信号给指定的进程，并且谨慎使用，以免对系统和进程造成不可预料的影响。
    • Java 应用程序
      • 如果项目通过 Tomcat 进行发布，即普通的 web 项目，则对应的堆栈信息会打印在 catalina.out 文件中。
      • 如果项目是基于 SpringBoot 并且使用 nohup java -jar xxx.jar & 命令运行，则 java 堆栈信息会在 jar 包所在的 nohup.out 文件中。
• JDK
  • jinfo
    • 样例命令：jinfo {PID}
      • 打印 JVM 的各类参数(Java System Properties、VM Flags、VM Arguments)
  • jcmd
    • 支持版本：JDK 1.7 +
    • Java HotSpot 虚拟机的 NMT 功能
    • 样例命令：
      • jcmd {PID} help | 列出当前运行的 java 进程可以执行的操作
      • jcmd {PID} Thread.print > C:\Users\{USER}\Desktop\thread-dump-{PID}.tdump
      • jcmd {PID} VM.flags
      • jcmd {PID} VM.system_properties
      • jcmd {PID} VM.command_line
  • jstack
    • jstack是JDK自带的一个命令行工具，用于生成Java线程转储文件。它可以显示线程状态，锁信息，监视死锁等。
    • 样例命令：jstack [-l][F] pid | 可进行的dump文件导出
• VisualVM
  • VisualVM是一个功能强大的Java应用程序性能分析工具、是NetBeans的profile子项目。
  • 其可以生成线程转储文件，同时还提供了堆转储、CPU和内存分析等功能。
  • 在线程面板中，monitor、running、sleeping、wait、park分别代表线程的不同状态。
  • https://github.com/oracle/visualvm
  • https://visualvm.github.io/releases.html
• Eclipse MAT
  • Eclipse MAT（Memory Analyzer Tool）是一个专业的Java内存分析工具，可以分析堆转储文件，查找内存泄漏问题，分析对象引用关系等。
  • https://eclipse.dev/mat/
• Arthas
  • 阿里巴巴开源的Java 应用诊断利器
  • https://arthas.aliyun.com/en/
• YourKit Java Profiler
  • YourKit是一个商业化的Java性能分析工具，提供了线程转储分析功能，可以快速定位线程问题，同时还提供了内存和CPU分析功能。
  • https://www.yourkit.com/java/profiler/
• FastThread
  • FastThread是一款针对Java线程分析的工具，可以帮助用户分析线程转储文件，查找线程问题，识别性能瓶颈等。
  • https://fastthread.io/

• Glowroot |
  • Glowroot是一个开源的Java应用性能监控工具(Open source Java APM)，可以生成线程转储文件，并提供了一些线程分析功能，如线程状态、锁信息等。
  • https://glowroot.org/
• spotify thread dump analyzer
  • http://spotify.github.io/threaddump-analyzer/

这些工具都提供了线程转储分析的功能，可以帮助开发人员定位线程问题和优化应用性能。具体选择哪个工具，可以根据自己的需求和喜好进行选择。

X 参考文献

• VisualVM
  • https://github.com/oracle/visualvm
  • https://visualvm.github.io/releases.html
    • JDK1.8 推荐下载 : V 2.1.5 # 2022.10.18 Release
      • https://github.com/oracle/visualvm/releases/download/2.1.5/visualvm_215.zip
• Questions
  • 【Exception】Cannot find Java 1.8 or higher. - CSDN
  • Java线程状态与JVisualVM线程面板解析与优化 - CSDN
  • 6 个 Java 工具，轻松分析定位 JVM 问题！ - Zhihu
  • 利用 kill -3 命令获取 Java 线程 dump 信息 - 人人编程网