如何获取java性能数据

Posted 2022-03-16 农民工老王

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目录

• nmon：获取系统性能数据
• • 安装
  • 使用
• jvisualvm：获取 JVM 性能数据
• JMC：获取 Java 应用详细性能数据
• • 录制
  • 线程
  • 内存
  • 锁
  • 文件和 Socket
  • 方法调用
  • 垃圾回收
  • JIT
  • TLAB
• Arthas ：获取单个请求的调用链耗时
• • 安装
  • 使用
• wrk：获取 Web 接口的性能数据
• • 安装
  • 使用
• 小结

首先解答上一篇博客的问题：磁盘的速度这么慢，为什么 Kafka 操作磁盘，吞吐量还能那么高？

这是因为，磁盘之所以慢，主要就是慢在寻道的操作上面。Kafka 官方测试表明，这个寻道时间长达 10ms。磁盘的顺序写和随机写的速度比，可以达到 6 千倍，Kafka 就是采用的顺序写的方式。

经过上一篇博客我们了解到，想要进行深入排查，需要收集较详细的性能数据，包括操作系统性能数据、JVM 的性能数据、应用的性能数据等。

那么，我们应该如何获取这些数据呢？本文将介绍一系列常用的性能测试工具。

nmon：获取系统性能数据

除了在上一篇博客中介绍的 top、free 等命令，还有一些将资源整合在一起的监控工具，nmon 便是一个老牌的 Linux 性能监控工具，它不仅有漂亮的监控界面，还能通过配套的nmonchar产出细致的监控报表。
我在对应用做性能评估时，通常会加上 nmon 的报告，这会让测试结果更加有说服力。你在平时工作中也可如此尝试。

上一篇博客中介绍的一些操作系统性能指标，都可从 nmon 中获取。它的监控范围很广，包括 CPU、内存、网络、磁盘、文件系统、NFS、系统资源等信息。

安装

nonm可以去它的官网下载后安装，不过我还是更喜欢用yum安装。但nmonchar暂不提供yum的下载方式，只能通过官网下载。具体方法如下：

# 安装yum源
yum -y install wget
wget -O /etc/yum.repos.d/epel.repo http://mirrors.aliyun.com/repo/epel-7.repo
# 更新yum源
yum makecache
# 安装ksh和nmon
yum -y install ksh  nmon

# 下载nmonchar 
wget https://udomain.dl.sourceforge.net/project/nmon/nmonchart40.tar  --no-check-certificate
# 解压nmonchart
tar -xf nmonchart40.tar 
# 移动到$Path
mv nmonchart /usr/local/bin

使用

直接执行nmon命令即可运行并进入软件首页，按 C 键可加入 CPU 面板；按 M 键可加入内存面板；按 N 键可加入网络；按 D 键可加入磁盘等。

此外，mono还可以静默采集，通过nmon -f -s 10 -c 30 -m .命令，可实现每 10 秒采集一次数据，共采集 30 次，它会把这一段时间之内的数据记录下来并存储到一个文件中，默认文件名为 机器名_日期时间字符串.nmon 。

需要注意的是这是一异步的命令，输入命令后，程序会在后台运行。一般来说，您是可以预估程序运行所需要的时间，如上文中的命令，就是需要10*30=300秒的时间。如果您采集数据的周期较长，不确定程序是否还在运行，那么您就可以通过ps -ef| grep nmon查询。

得到这个nmon文件后，可以通过nmonchart命令生成html。
如果您的html页面不能正常显示，大概率是因为有一个叫jsapi的资源不能在线加载，您可以通过查看浏览器控制台进行核实。要解决也很容易，下载相关资源后，再把html文件中的资源路径修改好就行。获取资源请点击此超链接：nmonchart页面所需资源：jsapi 。

jvisualvm：获取 JVM 性能数据

jvisualvm 原是随着 JDK 发布的一个工具，Java 9 之后开始单独发布。通过它，可以了解应用在运行中的内部情况。我们可以连接本地或者远程的服务器，监控大量的性能数据。

通过插件功能，jvisualvm 能获得更强大的扩展。如下图所示，建议把所有的插件下载下来进行体验。

要想监控远程的应用，还需要在被监控的 App 上加入 jmx 参数。

-Dcom.sun.management.jmxremote.port=14000
-Dcom.sun.management.jmxremote.authenticate=false 
-Dcom.sun.management.jmxremote.ssl=false

上述配置的意义是开启 JMX 连接端口 14000，同时配置不需要 SSL 安全认证方式连接。

对于性能优化来说，我们主要用到它的采样器。注意，由于抽样分析过程对程序运行性能有较大的影响，一般我们只在测试环境中使用此功能。
对于一个 Java 应用来说，除了要关注它的 CPU 指标，垃圾回收方面也是不容忽视的性能点，我们主要关注以下三点。

• CPU 分析：统计方法的执行次数和执行耗时，这些数据可用于分析哪个方法执行时间过长，成为热点等。
• 内存分析：可以通过内存监视和内存快照等方式进行分析，进而检测内存泄漏问题，优化内存使用情况。
• 线程分析：可以查看线程的状态变化，以及一些死锁情况。

JMC：获取 Java 应用详细性能数据

对于我们常用的 HotSpot 来说，有更强大的工具，那就是 JMC。 JMC 集成了一个非常好用的功能：JFR（Java Flight Recorder）。

Flight Recorder 源自飞机的黑盒子，是用来录制信息然后事后分析的。在 Java11 中，它可以通过 jcmd 命令进行录制，主要包括 configure、check、start、dump、stop 这五个命令，其执行顺序为，start — dump — stop，例如：

jcmd <pid> JFR.start
jcmd <pid> JFR.dump filename=recording.jfr 
jcmd <pid> JFR.stop

JFR 功能是建在 JVM 内部的，不需要额外依赖，可以直接使用，它能够监测大量数据。比如，我们提到的锁竞争、延迟、阻塞等；甚至在 JVM 内部，比如 SafePoint、JIT 编译等，也能去分析。

JMC 集成了 JFR 的功能，下面介绍一下 JMC 的使用。

录制

下图是录制了一个 Tomcat 一分钟之后的结果，从左边的菜单栏即可进入相应的性能界面。

通过录制数据，可以清晰了解到某一分钟内，操作系统资源，以及 JVM 内部的性能数据情况。

线程

选择相应的线程，即可了解线程的执行情况，比如 Wait、Idle 、Block 等状态和时序。

以 C2 编译器线程为例，可以看到详细的热点类，以及方法内联后的代码大小。如下图所示，C2 此时正在疯狂运转。

内存

通过内存界面，可以看到每个时间段内内存的申请情况。在排查内存溢出、内存泄漏等情况时，这个功能非常有用。

锁

一些竞争非常严重的锁信息，以及一些死锁信息，都可以在锁信息界面中找到。可以看到，一些锁的具体 ID，以及关联的线程信息，都可以进行联动分析。

文件和 Socket

文件和 Socket 界面能够监控对 I/O 的读写，界面一目了然。如果你的应用 I/O 操作比较繁重，比如日志打印比较多、网络读写频繁，就可以在这里监控到相应的信息，并能够和执行栈关联起来。

方法调用

这个和 jvisualvm 的功能类似，展示的是方法调用信息和排行。从这里可以看到一些高耗时方法和热点方法。

垃圾回收

如果垃圾回收过于频繁，就会影响应用的性能。JFR 对垃圾回收进行了详细的记录，比如什么时候发生了垃圾回收，用的什么垃圾回收器，每次垃圾回收的耗时，甚至是什么原因引起的等问题，都可以在这里看到。

JIT

JIT 编译后的代码，执行速度会特别快，但它需要一个编译过程。编译界面显示了详细的 JIT 编译过程信息，包括生成后的 CodeCache 大小、方法内联信息等。

TLAB

JVM 默认给每个线程开辟一个 buffer 区域，用来加速对象分配，这就是 TLAB（Thread Local Allocation Buffer）的概念。这个 buffer，就放在 Eden 区。

原理和 Java 语言中的 ThreadLocal 类似，能够避免对公共区的操作，可以减少一些锁竞争。如下图所示的界面，详细地显示了这个分配过程。
在后面的文章中，我们会有多个使用此工具的分析案例。

Arthas ：获取单个请求的调用链耗时

Arthas 是阿里开源的Java 诊断工具，可以排查内存溢出、CPU 飙升、负载高等内容，可以说是一个 jstack、jmap 等命令的大集合。

安装

安装运行方式非常简单：通过运行curl -O https://arthas.aliyun.com/arthas-boot.jar命令下载相关jar包，然后运行java -jar arthas-boot.jar即可启动。如下图所示：
如果您明明运行的有java项目，但是Arthas 启动后却报如下提示，说找不到任何java进程，如下所示：

[INFO] Can not find java process. Try to run `jps` command lists the instrumented Java HotSpot VMs on the target system.Please select an available pid.

那很有可能是因为您安装的是OpenJDK，缺乏Java的某些工具包导致，可以通过安装openjdk-devel来解决，例如OpenJDK11可以通过yum install java-11-openjdk-devel 安装实现。

使用

Arthas 支持很多命令，我们以 trace 命令为例。

有时候，我们统计到某个接口的耗时非常高，但又无法找到具体原因时，就可以使用这个 trace 命令。该命令会从方法执行开始记录整个链路上的执行情况，然后统计每个节点的性能开销，最终以树状打印，很多性能问题一眼就能看出来。

下面就是一个执行结果示例。
后续的博文会有实例来演示如何找到问题发生的具体原因。

wrk：获取 Web 接口的性能数据

wrk是一款 HTTP 压测工具，和 ab 命令类似，它也是一个命令行工具。

安装

最常见的方法是通过下载源码，然后编译出二进制文件，但这种方法比较麻烦，所以我把已经编译好的二进制文件传到了CSDN上，大家可以下载后直接使用。请点击右侧的超链接跳：wrk（编译完成的可执行文件）。

在这里也贴出通过源码编译出可执行文件的办法：

yum install -y git gcc
git clone https://github.com/wg/wrk.git  
cd wrk 
make
# 如果make命令报错，则运行下面一行命令，否则就不需要运行。
yum install curl-devel expat-devel gettext-devel openssl-devel zlib-devel asciidoc perl-ExtUtils-MakeMaker
mv wrk   /usr/local/bin

使用

使用方法如下

-c, --connections <N>  跟服务器建立并保持的TCP连接数量  
-d, --duration    <T>  压测时间           
-t, --threads     <N>  使用多少个线程进行压测   
-s, --script      <S>  指定Lua脚本路径       
-H, --header      <H>  为每一个HTTP请求添加HTTP头      
    --latency          在压测结束后，打印延迟统计信息   
    --timeout     <T>  超时时间     
-v, --version          打印正在使用的wrk的详细版本信息
<N>代表数字参数，支持国际单位 (1k, 1M, 1G)
<T>代表时间参数，支持时间单位 (2s, 2m, 2h)

例如：
可以看到，wrk 统计了常见的性能指标，对 Web 服务性能测试非常有用。同时，wrk 支持 Lua 脚本，用来控制 setup、init、delay、request、response 等函数，可以更好地模拟用户请求。

小结

了获取更多性能数据，我们在本文时介绍了以下 5 款工具。

• nmon 获取系统性能数据；

• jvisualvm获取 JVM 性能数据；

• jmc 获取 Java 应用详细性能数据；

• arthas 获取单个请求的调用链耗时；

• wrk 获取 Web 接口的性能数据。

可以看出，这些工具有偏低层的、有偏应用的、有偏统计的、有偏细节的，在定位性能问题时，你需要灵活地使用这些工具，既从全貌上掌握应用的属性，也从细节上找到性能的瓶颈，对应用性能进行全方位的掌控。

这些工具能够很好地帮助我们找到系统的瓶颈点，那么对代码进行优化时，如何分析优化效果呢？又如何对代码片段进行快速、专业的测试呢？下一篇文章，我将解答以上问题。

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