深入理解java虚拟机VisualVM：多合-故障处理工具

Posted 2021-09-13 、Dong

文章目录

• 前言
• 一、VisualVM兼容范围与插件安装
• 二、生成、浏览堆转储快照
• 三、分析程序性能
• 四、BTrace动态日志跟踪
• 结尾

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前言

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。 VisualVM已不是JDK中的正式成员，但仍是可以免费下载、使用的。

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，曾经在很长一段时间内是Oracle官方主力发展的虚拟机故障处理工具。 Oracle曾在VisualVM的软件说明中写上了“All-in-One”的字样，表示着它除了常规的运行监视、故障处理外，还将提供其他方面的能力，例如性能分析（ Profiling）。 VisualVM的性能分析功能相比JProfiler、 YourKit等专业且收费的Profiling工具并不逊色。而且相比这些第三方工具，VisualVM还有一个很大的优点：不需要被监视的程序基于特殊Agent去运行，所以它的通用性很强，对应用程序实际性能的影响也较小，使得它可以直接应用在生产环境中。这个优点是JProfiler、 YourKit等工具无法与之相比的。

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一、VisualVM兼容范围与插件安装

VisualVM基于NetBeans平台开发工具，所以一开始它就具备了通过插件扩展功能的能力，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。

VisualVM在JDK 6 Update 7中首次发布，但并不意味着它只能监控运行于JDK 6上的程序，它具备很优秀的向下兼容性，甚至能向下兼容至2003年发布的JDK 1.4.2版本[1]，这对无数处于已经完成实施、正在维护的遗留项目很有意义。当然，也并非所有功能都能完美地向下兼容，主要功能的兼容性见表所示。

首次启动VisualVM后，先不必着急找应用程序进行监测，初始状态下的VisualVM并没有加载任何插件，虽然基本的监视、线程面板的功能主程序都以默认插件的形式提供，但是如果不在VisualVM上装任何扩展插件，就相当于放弃它最精华的功能，和没有安装任何应用软件的操作系统差不多。

VisualVM的插件可以手工进行安装，在网站上下载nbm包后，点击“工具->插件->已下载”菜单，然后在弹出对话框中指定nbm包路径便可完成安装。独立安装的插件存储在VisualVM的根目录，例如JDK 9之前自带的VisulalVM，插件安装后是放在JDK_HOME/lib/visualvm中的。手工安装插件并不常用， VisualVM的自动安装功能已可找到大多数所需的插件，在有网络连接的环境下，点击“工具->插件菜单”，弹出如下图所示的插件页签，在页签的“可用插件”及“已安装”中列举了当前版本VisualVM可以使用的全部插件，选中插件后在右边窗口会显示这个插件的基本信息，如开发者、版本、功能描述等。

读者可根据自己的工作需要和兴趣选择合适的插件，然后点击“安装”按钮，弹出如下图所示的下载进度窗口，跟着提示操作即可完成安装。

选择一个需要监视的程序就可以进入程序的主界面了，如图所示。由于VisualVM的版本以及选择安装插件数量的不同，读者看到的页签可能和笔者的截图有所差别。

VisualVM中“概述”“监视”“线程”“MBeans”的功能与前面介绍的JConsole差别不大，读者可根据上一节内容类比使用，这里笔者挑选几个有特色的功能和插件进行简要介绍。

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二、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”。

生成堆转储快照文件之后，应用程序页签会在该堆的应用程序下增加一个以[heap-dump]开头的子节点，并且在主页签中打开该转储快照，如下图所示。如果需要把堆转储快照保存或发送出去，就应在heapdump节点上右键选择“另存为”菜单，否则当VisualVM关闭时，生成的堆转储快照文件会被当作临时文件自动清理掉。要打开一个由已经存在的堆转储快照文件，通过文件菜单中的“装入”功能，选择硬盘上的文件即可。

堆页签中的“摘要”面板可以看到应用程序dump时的运行时参数、 System.getPro-perties()的内容、线程堆栈等信息； “类”面板则是以类为统计口径统计类的实例数量、容量信息； “实例”面板不能直接使用，因为VisualVM在此时还无法确定用户想查看哪个类的实例，所以需要通过“类”面板进入，在“类”中选择一个需要查看的类，然后双击即可在“实例”里面看到此类的其中500个实例的具体属性信息； “OQL控制台”面板则是运行OQL查询语句的，同jhat中介绍的OQL功能一样。

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三、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。

要开始性能分析，先选择“CPU”和“内存”按钮中的一个，然后切换到应用程序中对程序进行操作， VisualVM会记录这段时间中应用程序执行过的所有方法。如果是进行处理器执行时间分析，将会统计每个方法的执行次数、执行耗时；如果是内存分析，则会统计每个方法关联的对象数以及这些对象所占的空间。等要分析的操作执行结束后，点击“停止”按钮结束监控过程，如下图所示。

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四、BTrace动态日志跟踪

BTrace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功能动态加入原本并不存在的调试代码。这项功能对实际生产中的程序很有意义：如当程序出现问题时，排查错误的一些必要信息时（例如方法参数、返回值等），在开发时并没有打印到日志之中以至于不得不停掉服务时，都可以通过调试增量来加入日志代码以解决问题。

在VisualVM中安装了BTrace插件后，在应用程序面板中右击要调试的程序，会出现“Trace
Application…”菜单，点击将进入BTrace面板。这个面板看起来就像一个简单的Java程序开发环境，里面甚至已经有了一小段Java代码，如下图所示。

下面准备了一段简单的Java代码来演示BTrace的功能：产生两个1000以内的随机整数，输出这两个数字相加的结果，如代码清单所示。

public class BTraceTest {
	public int add(int a, int b) {
		return a + b;
	}
	public static void main(String[] args) throws IOException {
		BTraceTest test = new BTraceTest();
		BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			reader.readLine();
			int a = (int) Math.round(Math.random() * 1000);
			int b = (int) Math.round(Math.random() * 1000);
			System.out.println(test.add(a, b));
		}
	}
}

假设这段程序已经上线运行，而我们现在又有了新的需求，想要知道程序中生成的两个随机数是什么，但程序并没有在执行过程中输出这一点。此时，在VisualVM中打开该程序的监视，在BTrace页签填充TracingScript的内容，输入调试代码，如代码清单所示，即可在不中断程序运行的情况下做到这一点。

/* BTrace Script Template */
import com.sun.btrace.annotations.*;
import static com.sun.btrace.BTraceUtils.*;
@BTrace
public class TracingScript {
	@OnMethod(
	clazz="org.fenixsoft.monitoring.BTraceTest",
	method="add",
	location=@Location(Kind.RETURN)
)
public static void func(@Self org.fenixsoft.monitoring.BTraceTest instance,int a, int b,@Return int result) {
	println("调用堆栈:");
	jstack();
	println(strcat("方法参数A:",str(a)));
	println(strcat("方法参数B:",str(b)));
	println(strcat("方法结果:",str(result)));
}}

点击Start按钮后稍等片刻，编译完成后， Output面板中会出现“BTrace code successfuly
deployed”的字样。当程序运行时将会在Output面板输出如图所示的调试信息。

BTrace的用途很广泛，打印调用堆栈、参数、返回值只是它最基础的使用形式，在它的网站上有使用BTrace进行性能监视、定位连接泄漏、内存泄漏、解决多线程竞争问题等的使用案例。

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。阿里巴巴开源的诊断工具Arthas也通过Instrument实现了与BTrace类似的功能。

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结尾

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