JVM 性能調優之通過 JProfile 和 JFR 分析系統瓶頸提升系統性能

作者：老鄭 2024-04-01 08:04:05

JProfiler是一個用于分析運行JVM內部情況的專業工具。在開發中你可以使用它，用于質量保證，也可以解決你的生產系統遇到的問題。

生成 jfr

JDK飛行記錄器(JFR)是一種結構化日志記錄工具，它記錄廣泛的系統級(system-level)事件。類似于飛機上的黑盒子，它會持續記錄飛行數據，用于調查飛行事故。JFR會持續記錄JVM中的一系列事件，用于診斷問題。這種方式的優勢是，它會按時間順序，捕獲導致事故的，詳細系統信息。JFR被設計的，對于性能影響很小，所以可以安全地在生產環境長時間運行。

優勢：

對于運行系統的影響比較小，額外占用資源小于 1%
生成的文件比較小，通常生成 10 多分鐘的文件往往小于 1G

查詢 java 進程

通過 jps 命令查詢。

通過 ps -ef | grep java 查詢。

生成 jfr 文件

生成飛行記錄，使用 JFR.start 該實用程序的診斷命令 jcmd。

jcmd 84743 JFR.start duratinotallow=5m settings=profile filename=~/jfr/xxkk.jfr

JProfile 介紹

JProfiler是一個用于分析運行JVM內部情況的專業工具。在開發中你可以使用它，用于質量保證，也可以解決你的生產系統遇到的問題。
JProfiler處理四個主要問題:

方法調用這通常被稱為"CPU分析"。方法調用可以通過不同的方式進行測量和可視化，分析方法調用可以幫助了解你的應用程序正在做什么，并找到提高其性能的方法。
分配分析堆上對象的分配、引用鏈和垃圾回收屬于"內存分析"的范疇。這個功能可以讓你解決內存泄漏，總之使用更少的內存，分配更少的臨時對象。
線程和鎖線程可以持有鎖，例如通過在一個對象上做同步。當多個線程協作時，可能會出現死鎖，JProfiler可以為你可視化這種情況。此外，鎖可能被爭用，這意味著線程在獲得鎖之前必須等待。通過JProfiler可以深入了解線程及其各種鎖情形。
高層子系統許多性能問題發生在更高的語義層面。例如，對于JDBC調用，你可能想找出哪條SQL語句是最慢的。對于這樣的子系統，JProfiler提供了"探針"，將特定有效載荷附加到調用樹。

JProfiler的UI是一個桌面應用程序。你可以以交互的方式實時分析JVM，也可以在不使用UI的情況下，自動化分析。保存在快照中的分析數據，可以通過JProfiler UI打開。此外，命令行工具和構建工具集成可以幫助你自動分析會話。

注意：JProfile 是商業軟件，希望大家在使用的過程中購買正版授權

內存分析

記錄的對象

內存分析中，可以通過記錄的對象找到最耗費內存的對象。只有總對象大小超過固定閾值（通常是堆的1%）的類才會被記錄。默認情況下，JFR中禁用了這個功能，因為它會引入大量的開銷。
下面兩個字段的解釋：

**實例計數示例， **可以看到某個用例的堆上還剩下哪些對象（實際上會小于總大小除以每個對象的平均大小）。
預估總大小，這個是一個預估值，預估在開始 jfr 記錄，到 jfr 記錄結束這個類的實例總大小

https://docs.oracle.com/en/java/javase/17/docs/specs/man/jfr.html。

分配熱點

分配熱點視圖與分配調用樹一起，允許你直接關注負責創建所選類的方法。就像記錄的對象視圖，分配熱點視圖也支持標記當前狀態和觀察一段時間內的差值。視圖中會添加一個差值列，它顯示了熱點自當_標記當前值_操作被調用后的變化。因為默認情況下，分配視圖不會定期更新，所以你必須單擊_計算_工具欄按鈕以獲得一個新數據集然后與基線值比較。

計算熱點：

熱點分析：

熱點的分配類：

找到主要是因為 byte[] 數組分配，成為一個分配熱點方法。

測試代碼

/**
 * VM ARG : -Xms64m -Xmx64m
 */
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    List<byte[]> list = new ArrayList<>(1000);
    //2kb * 10 * 120 = 2400kb
    //數量 = 10 * 120 / 10 = 120
    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        Thread.sleep(100);
        byte[] arr = new byte[1024 * 2];
        list.add(arr);
    }
}

CPU 分析

調用樹

跟蹤所有的方法調用及其調用棧會消耗相當大的內存，短時間內就會耗盡所有內存。另外，在一個繁忙的JVM中，很難直觀獲得方法調用的數量。通常情況下，這個數字是如此之大，以至于定位和跟隨跟蹤是不可能的。
另一個方面，只有將收集到的數據進行匯總，許多性能問題才會變得清晰。這樣，你就可以知道在某個時間段內，方法調用相對于整個活動的重要性。如果是單一的跟蹤，你對你所看的數據的相對重要性沒有概念。
這就是為什么JProfiler建立了一個所有觀察到的調用堆棧的累積樹，并注解有觀察到的時間和調用次數。時間順序信息被消除，只保留總數。樹中的每個節點代表一個至少被觀察過一次的調用堆棧。節點的子節點代表在該調用堆棧中看到的所有傳出調用。

調用樹是"CPU視圖"部分的第一個視圖，當你開始進行CPU分析時，它是一個很好的起點，因為遵循方法調用從起點到最細化的終點的自上而下視圖，最容易理解。JProfiler按照子節點的總時間進行排序，所以你可以深度優先打開樹，分析對性能影響最大的部分。

熱點

如果你的應用程序運行得太慢，你要找到那些占用大部分時間的方法。通過調用樹，有時可以直接找到這些方法，但通常這樣做是行不通的，因為調用樹可能很大而且有大量葉節點
在這種情況下，你需要反轉調用樹：一個所有方法的列表，按其總的自身時間排序，從所有不同的調用堆棧中累計出來，并通過回溯跟蹤顯示這些方法是如何被調用的。在熱點樹中，葉節點是入口點，就像應用程序的main 方法或線程的run 方法。從熱點樹中最深的節點開始，調用向上傳遞到頂層節點。

回溯跟蹤中的調用次數和執行時間并不是指該方法節點，而是指頂層熱點節點在這條路徑上被調用的次數。理解這一點很重要：粗略一看，你會認為看到的節點上的信息是該節點的調用次數。然而，在熱點樹中，該信息顯示的是該節點對頂層節點的貢獻。所以，你必須這樣理解這些數字: 沿著這個倒置的調用堆棧，頂層熱點被調用了n 次，總持續時間為t 秒。

通過這里可以看到這個 CASE 是因為正則導致的 CPU 熱點。

測試代碼

static String pattern = " ^([\\u4e00-\\u9fa5]+)((·[\\u4e00-\\u9fa5]+)+|([\\u4e00-\\u9fa5]+))$";
static String defaultName = "張三·無論其是看都看吶阿斯頓啊·薩肯薩肯打開你發都看啊看你發個卡看那可能發看那個可能看吶";

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    int time = 1;
    String result;
    while (true) {
        if (time > 0) {
            Thread.sleep(time);
        }
        result = defaultName.matches(pattern) ? "姓名合法" : "姓名不合法";
    }
}

參考文檔

jcmd 指令詳解：https://docs.oracle.com/javacomponents/jmc-5-5/jfr-command-reference/diagnostic-command-reference.htm。
生成 jfr 文件：https://docs.oracle.com/javacomponents/jmc-5-5/jfr-runtime-guide/run.htm。
jprofile 中文手冊：https://www.ej-technologies.com/resources/jprofiler/v/13.0/help_zh_CN/doc/main/memory.html。

責任編輯：姜華來源：運維開發故事