Java进程分析工具

JVM 内存区域

jvm-area

如果要为新生代分配 256m 的内存（NewSize 与 MaxNewSize 设为一致），参数应该这样来写：-Xmn256m;

还可以通过 -XX:NewRatio=<int> 来设置老年代与新生代内存的比值。比如以下参数就是设置老年代与新生代内存的比值为 1。也就是说老年代和新生代所占比值为 1：1，新生代占整个堆栈的 1/2。

-XX:NewRatio=1

JDK 1.8 ，方法区（HotSpot 的永久代）被彻底移除了，取而代之是元空间 Metaspace，元空间使用的是本地内存。

Metaspace 的初始容量并不是 -XX:MetaspaceSize 设置，无论 -XX:MetaspaceSize 配置什么值，对于 64 位 JVM 来说，Metaspace 的初始容量都是 21807104（约 20.8m）。可以参考 Oracle 官方文档 :

Specify a higher value for the option MetaspaceSize to avoid early garbage collections induced for class metadata. The amount of class metadata allocated for an application is application-dependent and general guidelines do not exist for the selection of MetaspaceSize. The default size of MetaspaceSize is platform-dependent and ranges from 12 MB to about 20 MB.
Metaspace 由于使用不断扩容到-XX:MetaspaceSize参数指定的量，就会发生 Full GC，且之后每次 Metaspace 扩容都会发生 Full GC。也就是说，MetaspaceSize 表示 Metaspace 使用过程中触发 Full GC 的阈值，只对触发起作用；如果 MaxMetaspaceSize 设置太小，可能会导致频繁 Full GC ，甚至OOM。

jmap

打印heap信息

命令：jmap -heap pid

描述：显示Java堆详细信息

➜  ~ jmap -heap 10439
Attaching to process ID 10439, please wait...
Error attaching to process: sun.jvm.hotspot.runtime.VMVersionMismatchException: 
  Supported versions are 25.312-b07. Target VM is 25.272-b1
sun.jvm.hotspot.debugger.DebuggerException: sun.jvm.hotspot.runtime.VMVersionMismatchException: 
  Supported versions are 25.312-b07. Target VM is 25.272-b1
    at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.setupVM(HotSpotAgent.java:435)
    at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.go(HotSpotAgent.java:305)
    at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.attach(HotSpotAgent.java:140)
    at sun.jvm.hotspot.tools.Tool.start(Tool.java:185)
    at sun.jvm.hotspot.tools.Tool.execute(Tool.java:118)
    at sun.jvm.hotspot.tools.HeapSummary.main(HeapSummary.java:50)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke0(Native Method)
    at sun.reflect.NativeMethodAccessorImpl.invoke(NativeMethodAccessorImpl.java:62)
    at sun.reflect.DelegatingMethodAccessorImpl.invoke(DelegatingMethodAccessorImpl.java:43)
    at java.lang.reflect.Method.invoke(Method.java:498)
    at sun.tools.jmap.JMap.runTool(JMap.java:201)
    at sun.tools.jmap.JMap.main(JMap.java:130)
Caused by: sun.jvm.hotspot.runtime.VMVersionMismatchException: Supported versions are 25.312-b07. 
  Target VM is 25.272-b1
    at sun.jvm.hotspot.runtime.VM.checkVMVersion(VM.java:227)
    at sun.jvm.hotspot.runtime.VM.<init>(VM.java:294)
    at sun.jvm.hotspot.runtime.VM.initialize(VM.java:370)
    at sun.jvm.hotspot.HotSpotAgent.setupVM(HotSpotAgent.java:431)

报错原因是系统有多个jdk，可以指定绝对路径。

➜  ~ echo $JAVA_HOME
/usr/local/TencentKona-8.0.4-272
➜  ~ /usr/local/TencentKona-8.0.4-272/bin/jmap -heap 10439
Attaching to process ID 10439, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 25.272-b1

using thread-local object allocation.
Garbage-First (G1) GC with 8 thread(s)

Heap Configuration:
   MinHeapFreeRatio         = 40
   MaxHeapFreeRatio         = 70
   MaxHeapSize              = 536870912 (512.0MB)
   NewSize                  = 1363144 (1.2999954223632812MB)
   MaxNewSize               = 321912832 (307.0MB)
   OldSize                  = 5452592 (5.1999969482421875MB)
   NewRatio                 = 2
   SurvivorRatio            = 8
   MetaspaceSize            = 21807104 (20.796875MB)
   CompressedClassSpaceSize = 260046848 (248.0MB)
   MaxMetaspaceSize         = 268435456 (256.0MB)
   G1HeapRegionSize         = 1048576 (1.0MB)

Heap Usage:
G1 Heap:
   regions  = 512
   capacity = 536870912 (512.0MB)
   used     = 226987352 (216.47200775146484MB)
   free     = 309883560 (295.52799224853516MB)
   42.27968901395798% used
G1 Young Generation:
Eden Space:
   regions  = 207
   capacity = 338690048 (323.0MB)
   used     = 217055232 (207.0MB)
   free     = 121634816 (116.0MB)
   64.08668730650155% used
Survivor Space:
   regions  = 0
   capacity = 0 (0.0MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 0 (0.0MB)
   0.0% used
G1 Old Generation:
   regions  = 10
   capacity = 198180864 (189.0MB)
   used     = 9932120 (9.472007751464844MB)
   free     = 188248744 (179.52799224853516MB)
   5.0116443129443615% used

8841 interned Strings occupying 891192 bytes.

统计heap对象

命令：jmap -histo:live pid 描述：显示堆中对象的统计信息

其中包括每个Java类、对象数量、内存大小(单位：字节)、完全限定的类名。打印的虚拟机内部的类名称将会带有一个 * 前缀。如果指定了live子选项，则只计算活动的对象。

➜  ~ /usr/local/TencentKona-8.0.4-272/bin/jmap -histo:live 10439 |head -n 30

 num     #instances         #bytes  class name
----------------------------------------------
   1:         23634        2041848  [C
   2:            43        1409712  [Ljava.util.concurrent.ForkJoinTask;
   3:          1053        1191208  [B
   4:          7197         790496  java.lang.Class
   5:         23631         567144  java.lang.String
   6:          6322         542264  [Ljava.lang.Object;
   7:          8725         279200  java.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Node
   8:          4123         263872  java.nio.DirectByteBuffer
   9:          4096         229376  org.apache.flink.core.memory.MemorySegment
  10:          2900         201184  [I
  11:          4117         164680  sun.misc.Cleaner
  12:          4115         131680  java.nio.DirectByteBuffer$Deallocator
  13:          3923         125536  java.util.HashMap$Node
  14:          5009          80144  java.lang.Object
  15:           900          79200  java.lang.reflect.Method
  16:           811          77264  [Ljava.util.HashMap$Node;
  17:          1304          73024  java.lang.invoke.MemberName
  18:           101          66976  [Ljava.util.concurrent.ConcurrentHashMap$Node;
  19:          4160          66560  java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean
  20:            80          53760  org.apache.flink.shaded.netty4.io.netty.util.internal.shaded.
                                    org.jctools.queues.MpscArrayQueue
  21:          1266          50640  java.util.LinkedHashMap$Entry
  22:          1160          46400  java.lang.invoke.MethodType
  23:          1144          45760  java.lang.ref.SoftReference
  24:          1663          41632  [Ljava.lang.Class;
  25:           986          39440  com.typesafe.config.impl.SimpleConfigOrigin
  26:          1177          37664  java.lang.invoke.MethodType$ConcurrentWeakInternSet$WeakEntry
  27:           777          37296  java.util.HashMap

打印等待终结的对象

命令：jmap -finalizerinfo pid

描述：打印等待终结的对象信息

➜  ~ /usr/local/TencentKona-8.0.4-272/bin/jmap -finalizerinfo 10439
Attaching to process ID 10439, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 25.272-b1
Number of objects pending for finalization: 0

生成`dump`文件

命令：jmap -dump:format=b,file=heapdump.hprof pid

描述：生成堆转储快照dump文件。

➜  ~ /usr/local/TencentKona-8.0.4-272/bin/jmap -dump:format=b,file=heapdump.hprof 10439
Dumping heap to /root/heapdump.hprof ...
Heap dump file created

以hprof二进制格式转储Java堆到指定filename的文件中。live子选项是可选的，如果指定了live子选项，堆中只有活动的对象会被转储。想要浏览heap dump，你可以使用jhat(Java堆分析工具)读取生成的文件。

jhat

分析dump文件

命令：jhat -J-mx1024m heapdump.hprof，当dump文件很大时，需要适当调高-mx；当端口有占用时 jhat -port 7080 heapdump.hprof 可以指定端口；

➜  ~ jhat -J-mx1024m heapdump.hprof
Reading from heapdump.phrof...
Dump file created Tue May 24 21:38:43 CST 2022
Snapshot read, resolving...
Resolving 4346760 objects...
Chasing references, expect 869 dots
Eliminating duplicate references.
Snapshot resolved.
Started HTTP server on port 7000
Server is ready.

jhat会启动一个web服务，在web界面上查看dump文件解析的结果。

使用EMA工具，会比jhat更友好的界面；

jinfo

jinfo 获取 JVM 运行参数，包括启动时指定的环境变量；

$ /usr/local/TencentKona-8.0.10-332/bin/jinfo  1
Attaching to process ID 1, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 25.332-b1
Java System Properties:

zookeeper.sasl.client = true
java.runtime.name = OpenJDK Runtime Environment
java.vm.version = 25.332-b1
sun.boot.library.path = /usr/local/TencentKona-8.0.10-332/jre/lib/amd64
java.vm.vendor = Tencent
path.separator = :
file.encoding.pkg = sun.io
java.vm.name = OpenJDK 64-Bit Server VM
sun.os.patch.level = unknown
sun.java.launcher = SUN_STANDARD
user.dir = /
java.vm.specification.name = Java Virtual Machine Specification
java.runtime.version = 1.8.0_332-b1
java.awt.graphicsenv = sun.awt.X11GraphicsEnvironment
os.arch = amd64
java.endorsed.dirs = /usr/local/TencentKona-8.0.10-332/jre/lib/endorsed
line.separator = 

...
VM Flags:
Non-default VM flags: -XX:ActiveProcessorCount=8 -XX:CICompilerCount=4 
-XX:CompressedClassSpaceSize=260046848 -XX:ErrorFile=null 
-XX:InitialHeapSize=3103784960 -XX:MaxDirectMemorySize=493921243 
-XX:MaxHeapSize=3103784960 -XX:MaxMetaspaceSize=268435456 -XX:MaxNewSize=1034420224 
-XX:MinHeapDeltaBytes=524288 -XX:NewSize=1034420224 -XX:OldSize=2069364736 -XX:+PrintGC 
-XX:+PrintGCDetails -XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops 
-XX:+UseParallelGC -XX:+UseUTF8UTF16Intrinsics 

Command line:  -Duser.timezone=GMT+08 -Dlog.level=INFO -Xmx3103113861 -Xms3103113861 
-XX:MaxDirectMemorySize=493921243 -XX:MaxMetaspaceSize=268435456 -verbose:gc -XX:+PrintGCDetails 
-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:ActiveProcessorCount=8 -Dlog4j2.formatMsgNoLookups=true

jstat

jstat -gc 监控GC相关信息。

/usr/local/TencentKona-8.0.10-332/bin/jstat -gc 1 1000
S0C     S1C      S0U   S1U     EC       EU       OC          OU        MC      MU      CCSC    CCSU       YGC   YGCT    FGC    FGCT     GCT   
43520.0 43008.0  0.0   27234.4 922112.0 282128.7 2020864.0   35542.2   76928.0 73257.9 10368.0 9767.7      9    0.124   3      0.320    0.444
43520.0 43008.0  0.0   27234.4 922112.0 282128.7 2020864.0   35542.2   76928.0 73257.9 10368.0 9767.7      9    0.124   3      0.320    0.444
43520.0 43008.0  0.0   27234.4 922112.0 282128.7 2020864.0   35542.2   76928.0 73257.9 10368.0 9767.7      9    0.124   3      0.320    0.444
43520.0 43008.0  0.0   27234.4 922112.0 282128.7 2020864.0   35542.2   76928.0 73257.9 10368.0 9767.7      9    0.124   3      0.320    0.444
43520.0 43008.0  0.0   27234.4 922112.0 282128.7 2020864.0   35542.2   76928.0 73257.9 10368.0 9767.7      9    0.124   3      0.320    0.444
43520.0 43008.0  0.0   27234.4 922112.0 285552.9 2020864.0   35542.2   76928.0 73257.9 10368.0 9767.7      9    0.124   3      0.320    0.444
43520.0 43008.0  0.0   27234.4 922112.0 285992.0 2020864.0   35542.2   76928.0 73257.9 10368.0 9767.7      9    0.124   3      0.320    0.444
43520.0 43008.0  0.0   27234.4 922112.0 285992.0 2020864.0   35542.2   76928.0 73257.9 10368.0 9767.7      9    0.124   3      0.320    0.444

S0C: S0区0的容量 (kB);
S1C: S1的容量(kB);
S0U: S0已用内存 (kB);
S1U: S1已用内存 (kB);
EC: 伊甸园区容量 (kB);
EU: 伊甸园区已用内存 (kB);
OC: 老年代容量 (kB);
OU: 老年代已用内存 (kB);
MC: 元数据区容量 (kB);
MU: 元数据区已用内存 (kB);
CCSC: 类压缩区容量 (kB);
CCSU: 类压缩区已用内存 (kB);
YGC：年轻代垃圾回收次数;
YGCT：年轻代垃圾回收时间;
FGC：老年代垃圾回收次数;
FGCT：老年代垃圾回收时间;
GCT：总垃圾回收时间;

jstat -gcutil 监控JVM GC 的信息。

/usr/local/TencentKona-8.0.10-332/bin/jstat -gcutil 1 1000
  S0     S1     E      O      M     CCS    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT   
  0.00  63.32   9.70   1.76  95.23  94.21      9    0.124     3    0.320    0.444
  0.00  63.32   9.71   1.76  95.23  94.21      9    0.124     3    0.320    0.444
  0.00  63.32   9.71   1.76  95.23  94.21      9    0.124     3    0.320    0.444
  0.00  63.32  10.92   1.76  95.23  94.21      9    0.124     3    0.320    0.444
  0.00  63.32  12.08   1.76  95.23  94.21      9    0.124     3    0.320    0.444
  0.00  63.32  12.08   1.76  95.23  94.21      9    0.124     3    0.320    0.444
  0.00  63.32  13.03   1.76  95.23  94.21      9    0.124     3    0.320    0.444

S0：S0区域使用率
S1：S1区域使用率
E：伊甸园区使用率
O：Old Generation使用率，OU/OC
M：Matespace区使用率，MU/MC
CCS：压缩类空间使用率
YGC：年轻代垃圾回收次数
YGCT：年轻代垃圾回收时间
FGC：老年代垃圾回收次数
FGCT：老年代垃圾回收时间
GCT：总垃圾回收时间

jstack

jstack -l 获取线程栈信息，可以分析java进程中线程的执行情况，可以协助分析死锁问题；

/usr/local/TencentKona-8.0.10-332/bin/jstack  -l 1

一般情况下，线程栈会很长，可以输出到文件中分析.

/usr/local/TencentKona-8.0.10-332/bin/jstack  -l 1 > /tmp/1.threaddump

Native Memory Tracking

默认情况下，NMT是处于关闭状态的，我们可以通过设置 JVM 启动参数来开启：-XX:NativeMemoryTracking=[off | summary | detail]；（启用NMT会导致5% -10%的性能开销）

off 不跟踪 JVM 本地内存使用情况。如果不指定 -XX:NativeMemoryTracking 选项则默认为off。
summary 仅跟踪 JVM 子系统（如：Java heap、class、code、thread等）的内存使用情况。
detail 除了通过 JVM 子系统跟踪内存使用情况外，还可以通过单独的 CallSite、单独的虚拟内存区域及其提交区域来跟踪内存使用情况。

除了在虚拟机运行时获取 NMT 数据，我们还可以通过两个参数：-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions和-XX:+PrintNMTStatistics ，来获取虚拟机退出时内存使用情况的数据（输出数据的详细程度取决于你设定的跟踪级别，如 summary/detail 等）。

-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions：解锁用于诊断 JVM 的选项，默认关闭。
-XX:+PrintNMTStatistics：当启用 NMT 时，在虚拟机退出时打印内存使用情况，默认关闭，需要开启前置参数 -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions 才能正常使用。

开启 NMT

jcmd <pid> VM.native_memory [summary | detail | baseline | summary.diff | detail.diff | shutdown] 
  [scale= KB | MB | GB]

jcmd 33561 VM.native_memory summary scale=MB
33561:
Native Memory Tracking:

Total: reserved=5593MB, committed=477MB
-                 Java Heap (reserved=4096MB, committed=256MB)
                            (mmap: reserved=4096MB, committed=256MB) 
 
-                     Class (reserved=1049MB, committed=25MB)
                            (classes #2428)
                            (malloc=11MB #2029) 
                            (mmap: reserved=1038MB, committed=14MB) 
 
-                    Thread (reserved=25MB, committed=25MB)
                            (thread #26)
                            (stack: reserved=25MB, committed=25MB)
 
-                      Code (reserved=244MB, committed=5MB)
                            (malloc=1MB #1623) 
                            (mmap: reserved=244MB, committed=4MB) 
 
-                        GC (reserved=162MB, committed=150MB)
                            (malloc=12MB #148) 
                            (mmap: reserved=150MB, committed=137MB) 
 
-                  Internal (reserved=12MB, committed=12MB)
                            (malloc=12MB #4010) 
 
-                    Symbol (reserved=4MB, committed=4MB)
                            (malloc=3MB #13444) 
                            (arena=1MB #1)

各区域说明

主要关注 committed 部分，这部分是已使用的内存；

Java Heap

Java 堆所使用的内存大小；可以使用 -Xms/-Xmx 或 -XX:InitialHeapSize/-XX:MaxHeapSize 等参数来控制初始/最大的大小

Class

Class 主要是类元数据（meta data）所使用的内存空间，即虚拟机规范中规定的方法区。具体到 HotSpot 的实现中，JDK7 之前是实现在 PermGen 永久代中，JDK8 之后则是移除了 PermGen 变成了 MetaSpace 元空间。基于此，那在启动 JVM 进程的时候设置的 -XX:MaxMetaspaceSize=256M 参数应该可以限制 Class 所使用的内存大小；但实际情况并非这样，这里 Class 需要设置 -XX:CompressedClassSpaceSize=256M 来控制。

-XX:MaxMetaspaceSize：Metaspace 总空间的最大允许使用内存，默认是不限制。
-XX:CompressedClassSpaceSize：Metaspace 中的 Compressed Class Space 的最大允许内存，默认值是 1G，这部分会在 JVM 启动的时候向操作系统申请 1G 的虚拟地址映射，但不是真的就用了操作系统的 1G 内存。

Thread

线程所使用的内存；可以使用参数 -Xss/-XX:ThreadStackSize 设置

Code

JVM 自身会生成一些 native code 并将其存储在称为 codecache 的内存区域中。JVM 生成 native code 的原因有很多，包括动态生成的解释器循环、 JNI、即时编译器(JIT)编译 Java 方法生成的本机代码。其中 JIT 生成的 native code 占据了 codecache 绝大部分的空间。

codecache reserve 的最大内存是由 -XX:ReservedCodeCacheSize 参数决定的； codecache commit 的内存是由 -XX:InitialCodeCacheSize 参数决定的。

GC

GC 所使用的内存，就是垃圾收集器使用的数据所占据的内存，例如卡表 card tables、记忆集 remembered sets、标记栈 marking stack、标记位图 marking bitmaps 等等。其实都是一种借助额外的空间，来记录不同内存区域之间引用关系的结构（都是基于空间换时间的思想，否则寻找引用关系就需要诸如遍历这种浪费时间的方式）。GC 这块内存是必须的，也是我们在使用过程中无法压缩的。

Internal

Internal 包含命令行解析器使用的内存、JVMTI、PerfData 以及 Unsafe 分配的内存等等。直接内存可以由 -XX:MaxDirectMemorySize=128M 参数决定，最后会在 Internal 中体现：

ByteBuffer.allocateDirect(256 * _1M);
// 如果设置 -XX:MaxDirectMemorySize=128M，这里分配 DirectMemory 会失败

Symbol

Symbol 为 JVM 中的符号表所使用的内存，HotSpot中符号表主要有两种：SymbolTable 与 StringTable。

Java 的类在编译之后会生成 Constant pool 常量池，常量池中会有很多的字符串常量，HotSpot 出于节省内存的考虑，往往会将这些字符串常量作为一个 Symbol 对象存入一个 HashTable 的表结构中即 SymbolTable，如果该字符串可以在 SymbolTable 中 lookup（SymbolTable::lookup）到，那么就会重用该字符串，如果找不到才会创建新的 Symbol（SymbolTable::new_symbol）。

除了 SymbolTable，还有 StringTable（StringTable 结构与 SymbolTable 基本是一致的，都是 HashTable 的结构），即我们常说的字符串常量池。HotSpot 也是基于节省内存的考虑为我们提供了 StringTable，我们可以通过 String.intern 的方式将字符串放入 StringTable 中来重用字符串。

-XX:StringTableSize 参数设置 HashTable 的长度； -XX:SymbolTableSize 参数设置 SymbolTable 的长度。

如果该值设置的过小的话会导致hash 冲突，即使 HashTable 进行 rehash，hash 冲突也会十分频繁；

基线分析

jcmd 33561 VM.native_memory baseline
33561:
Baseline succeeded

jcmd 33561 VM.native_memory  summary.diff scale=MB
33561:
Native Memory Tracking:
Total: reserved=5593MB, committed=479MB
-                 Java Heap (reserved=4096MB, committed=256MB)
                            (mmap: reserved=4096MB, committed=256MB)

-                     Class (reserved=1049MB, committed=26MB)
                            (classes #2428)
                            (malloc=11MB #2270 +99)
                            (mmap: reserved=1038MB, committed=14MB)
 
-                    Thread (reserved=25MB, committed=25MB)
                            (thread #26)
                            (stack: reserved=25MB, committed=25MB)
 
-                      Code (reserved=245MB, committed=6MB)
                            (malloc=1MB #1996 +106)
                            (mmap: reserved=244MB, committed=5MB)
 
-                        GC (reserved=162MB, committed=150MB)
                            (malloc=12MB #148)
                            (mmap: reserved=150MB, committed=137MB)
 
-                  Internal (reserved=12MB, committed=12MB)
                            (malloc=12MB #4029 +3)
 
-                    Symbol (reserved=4MB, committed=4MB)
                            (malloc=3MB #13444)
                            (arena=1MB #1)
 
-    Native Memory Tracking (reserved=1MB, committed=1MB)
                            (tracking overhead=0MB)

基线分析会输出从 baseline 开始，到现在各区域的大小变化，以及线程数量变化；

2023/06/26