干货 | 云智慧透视宝Java代码性能监控实现原理

Posted 2020-09-22

这篇图文并茂，高端大气上档次，思维缜密的文章，一看就和我平时的风格不同。对了。这不是我写的，是我家高大英俊，写一手好代码，炒一手好菜的男神架构师老公的大作，曾发表于技术公号，经本人授权转载，如有技术问题，我代为请他本人解答~~

一、Java平台体系及应用场景

从1995年Sun Microsystems公司正式推出Java，到2006年时Sun公司将其开源，迄今为止已经有了20年的历史。Java本身已不仅仅只是一门面向对象的编程语言，而是由一系列计算机软件和规范形成的技术体系，这个技术体系提供了完整的跨平台开发与部署的支持，实现“一次编写、到处运行”的目的。Java已经广泛的应用于嵌入式、移动终端、企业服务器、大型机等各种场合。

Sun官方所定义的Java技术体系包括如下几个组成部分：

* Java程序设计语言

* 各种硬件平台上的Java虚拟机

* Class文件格式

* 来自商业机构和开源社区的第三方Java类库

 

图：Java技术体系组件图

Java Virtual Machine(JVM)是Java体系的基础，负责解释、编译执行.class文件形式的字节码，同时负责内存管理、热点代码检测和运行时编译优化。正是由于有了虚拟机的基础，才使Java实现了“一次编写、到处运行”。Java这20年的发展，其实更是虚拟机的发展过程。期间经历了Sun、BEA公司各自开发的虚拟机，2009年之后，ORACLE将这两家公司收购，并将这些虚拟机取长补短、合二为一。目前还是开源的虚拟机OpenJDK，可供爱好者学习研究用。

JRE部分是支持Java程序运行的标准环境。JDK是JRE的超集，包含JRE的一切，再加上工具如编译器、调试器等。

 

二、Java性能监控需求

对于一个企业的应用系统，大多数情况下，肯定是由多种编程语言开发的各种系统的集成。我们都非常关心系统的可用性、及时响应性、资源的消耗，比如CPU、内存、各种I/O、网路带宽等消耗情况。对于这些问题的性能瓶颈点，我们一般可以归纳为外部服务（如第三方API）、资源读写、代码异常。如果在发生这些问题时，能够及时完整的抓拍记录保留下来，那么对于我们解决问题将会提供充足的证据，解决问题会变的非常容易。

对于Java应用系统来说，JVM自身提供了相应的性能监控手段和工具，经常在出现问题后，比如内存泄漏或溢出时，我们会通过jmap命令导出堆的转储快照，利用相应的命令jhat或其他相应的第三方内存分析工具来分析对象的占用情况。

响应缓慢时，我们可能会用jstat监视命令、或jdk的可视化工具jconsole、visualvm来分析JVM的垃圾回收类型、回收频率，来推测是否是垃圾回收导致的。有可能我们还要接着分析线程转储快照，通过jstack取出线程的栈快照，来分析是否有真死锁、死循环导致的相应缓慢、资源负载高等情况。

当有问题出现时，许多开发人员可能都是比较盲目的用这些工具来试探性定位问题，而大多数情况下，这种试探会无功而返。因为这些分析工具主要是侧重Java单方面的分析，比如该系统调用第三方API，如果第三方API有问题，是无法监控到的。还有像文件、DB资源的访问也是是无法监控到的。

而且，只有对Java虚拟机机制较为熟悉的高级开发人员才能比较好的运用、理解这些工具，对于大多数普通Java开发人员来说，这些问题只会令他们束手无策。

像外部服务（如第三方API）、资源读写、代码异常这些瓶颈点，需要通过代码级别的监控才能直接、快速、有效的找到症结所在。调用第三方API的耗时、资源访问的耗时、代码抛出的非预知异常，这些常见问题代码监控完全能够监控到，并能够实时抓拍记录，一旦有问题可以快速还原事故问题现场。通过代码级别监控发现问题后，也可以在辅助利用虚拟机内置监控工具进行进一步的定位。

 

三、透视宝Java监控实现原理

 

图：Java的执行模型

 

在Java的执行体系中，由.Java源码文件编译后的.class字节码文件，可以理解为中间语言。

 

图：透视宝Java监控实现原理

 

 

图：透视宝Java监控实例运行图

 

1、字节码load至JVM时发生了什么

* 回调函数注册完毕后，凡是当有任何的class文件即将被类加载器加载前，都

会执行回调函数transform，在此方法内实现的类改变操作。

* 实现的transform方法中，我们使用的是ASM字节码操作框架，ASM从二进制

形式的类文件中读取、分析类的信息，然后修改改变类的行为。

* transform方法的基本代码形式如下：

 

2、如何实际改变类行为

* 在依赖于ASM基础之上，我们抽象出这样的业务模型

 

* 常用的拦截探针

 

* 常用的运行时拦截处理器

 

* 支持的拦截定义过滤器规则

 

* 该业务模型对应的行为

 

定义拦截描述时，指定过滤拦截哪些类、哪些方法，然后，在这些行为的点上，可以埋入探针、处理器。重写visitCode、visitInsn、visitMaxs分别实现方法进入、返回、异常的相关操作改写。

 

四、透视宝Java监控部署流程

1、登录云智慧透视宝官网，点击页面右上角导航的“免费试用”，正确填写免费试用的申请信息后会弹出下面的对话框，同时激活邮件会自动发送到你的邮箱中，按照流程注册帐号即可。

 

2、注册成功后，登录透视宝，点击配置-应用，在配置页面中下载安装Smart Agent。安装成功后，Smart Agent会根据系统配置自动获取主机信息，大致两分钟后，您就可以在“主机→服务器”模块中查看该服务器的CPU、内存、网卡、磁盘及进程等性能数据。

 

3、如果要监控应用运行时代码、主机中服务和数据库性能数据，您需要进一步安装和配置Smart Agent提供的各种插件，这是因为Smart Agent实现了一种开放式的插件式结构，对每个运行时代码、服务和数据库的监控都是通过相应的插件来实现的。

 

Smart Agent在安装完成后，加载过程中自动发现你的应用组件，如果没有自动监测到Java环境，也可以手动添加Java Agent。如上图所示，点击“管理”入口，进入“插件管理”，点击页面下部的“添加服务”，选择JavaAgent后，点击“创建”。

创建完毕后，点击“ON”。(该ON操作只是初始化用户的信息，以便以后采集到的信息能够正确的回传给该用户。)

 

以上都操作完后，在{smartagent的安装路径}/plugins，就会看到如下形式的

 

在到{smartagent的安装路径}/plugins/JavaAgent_1442476463X1002x0/conf文件夹下，查看app.conf文件，看看该文件内的HostKey的值是否是如下类似的加密形式

 

以上情况，表明JavaAgent已经下载启动初始化成功。

4、安装JavaAgent至各种应用服务器上，如tomcat\\jboss\\weblogic。（该操作参考官网https://www.toushibao.com/即可）

5、只要启动相应服务器，然后访问您的应用url即可，该url对用的代码执行情况即可呈现给您，一旦出现缓慢问题也一目了然。如下图示意

 

五、透视宝Java代码性能监控特点

在功能方面，透视宝无论是在Java，还是其他如.NET、php等主流语言的监控上，都包括：查看执行最慢的10个元素，包括元素执行次数、持续时长和占用时长百分比；查看HTTP请求参数，包括请求的响应状态、链接页面、具体的请求参数及返回结果；查看代码执行堆栈的详细树状信息，包括每个方法的计算时间、总耗时和被调用的次数，您能直接看到特殊标识的最慢方法；查看涉及SQL语句的总耗时排序，包括SQL执行总耗时、执行次数和具体的查询语句；第三方API调用。

 

端到端性能监控示意图

 

在性能方面，云智慧透视宝的JavaAgent代码监控探针包，对用户的性能影响到底有多大？从安装包本身来看，它非常小，仅为1.5M。在不安装Java探针包和安装Java探针包，分别运行应用。经过测试对比，CPU使用率差值、内存消耗差值、TPS差值均在5%以内。