JVM 性能调优之通过 JProfile 和 JFR 分析系统瓶颈提升系统性能

生成 jfr

JDK飞行记录器(JFR)是一种结构化日志记录工具， 它记录广泛的系统级(system-level)事件。类似于飞机上的黑盒子，它会持续记录飞行数据，用于调查飞行事故。JFR会持续记录JVM中的 一系列事件，用于诊断问题。这种方式的优势是，它会按时间顺序，捕获导致事故的，详细系统信息。JFR被设计的，对于性能影响很小，所以 可以安全地在生产环境长时间运行。

优势：

• 对于运行系统的影响比较小，额外占用资源小于 1%
• 生成的文件比较小，通常生成 10 多分钟的文件往往小于 1G

查询 java 进程

通过 jps 命令查询。

通过 ps -ef | grep java 查询。

生成 jfr 文件

生成飞行记录，使用 JFR.start 该实用程序的诊断命令 jcmd。

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

JProfile 介绍

JProfiler是一个用于分析运行JVM内部情况的专业工具。在开发中你可以使用它，用于质量保证，也可以解决你的生产系统遇到的问题。
JProfiler处理四个主要问题:

• 方法调用这通常被称为"CPU分析"。方法调用可以通过不同的方式进行测量和可视化， 分析方法调用可以帮助了解你的应用程序正在做什么，并找到提高其性能的方法。
• 分配分析堆上对象的分配、引用链和垃圾回收属于"内存分析"的范畴。这个功能可以让你解决内存泄漏，总之使用更少的内存，分配更少的临时对象。
• 线程和锁线程可以持有锁，例如通过在一个对象上做同步。当多个线程协作时，可能会出现死锁，JProfiler可以为你可视化这种情况。此外，锁可能被争用，这意味着线程在获得锁之前必须等待。通过JProfiler可以深入了解线程及其各种锁情形。
• 高层子系统许多性能问题发生在更高的语义层面。例如，对于JDBC调用，你可能想找出哪条SQL语句是最慢的。对于这样的子系统，JProfiler提供了"探针"，将特定有效载荷附加到调用树。

JProfiler的UI是一个桌面应用程序。你可以以交互的方式实时分析JVM，也可以在不使用UI的情况下，自动化分析。保存在快照中的分析数据，可以通过JProfiler UI打开。此外，命令行工具和构建工具集成可以帮助你自动分析会话。

注意：JProfile 是商业软件，希望大家在使用的过程中购买正版授权

内存分析

记录的对象

内存分析中，可以通过记录的对象找到最耗费内存的对象。只有总对象大小超过固定阈值（通常是堆的1%）的类才会被记录。默认情况下，JFR中禁用了这个功能，因为它会引入大量的开销。
下面两个字段的解释：

• **实例计数示例， **可以看到某个用例的堆上还剩下哪些对象（实际上会小于总大小除以每个对象的平均大小）。
• 预估总大小，这个是一个预估值，预估在开始 jfr 记录，到 jfr 记录结束这个类的实例总大小

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

分配热点

分配热点视图与分配调用树一起，允许你直接关注负责创建所选类的方法。就像记录的对象视图，分配热点视图也支持标记当前状态和观察一段时间内的差值。视图中会添加一个差值列，它显示了热点自当_标记当前值_操作被调用后的变化。因为默认情况下，分配视图不会定期更新，所以你必须单击_计算_工具栏按钮以获得一个新数据集然后与基线值比较。

计算热点：

热点分析：

热点的分配类：

找到主要是因为 byte[] 数组分配，成为一个分配热点方法。

测试代码

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    List list = new ArrayList<>(1000);
    //2kb * 10 * 120 = 2400kb
    //数量 = 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

调用树

跟踪所有的方法调用及其调用栈会消耗相当大的内存，短时间内就会耗尽所有内存。另外，在一个繁忙的JVM中，很难直观获得方法调用的数量。通常情况下，这个数字是如此之大，以至于定位和跟随跟踪是不可能的。
另一个方面，只有将收集到的数据进行汇总，许多性能问题才会变得清晰。这样，你就可以知道在某个时间段内，方法调用相对于整个活动的重要性。如果是单一的跟踪，你对你所看的数据的相对重要性没有概念。
这就是为什么JProfiler建立了一个所有观察到的调用堆栈的累积树，并注解有观察到的时间和调用次数。时间顺序信息被消除，只保留总数。树中的每个节点代表一个至少被观察过一次的调用堆栈。节点的子节点代表在该调用堆栈中看到的所有传出调用。

调用树是"CPU视图"部分的第一个视图，当你开始进行CPU分析时，它是一个很好的起点， 因为遵循方法调用从起点到最细化的终点的自上而下视图，最容易理解。JProfiler按照子节点的总时间进行排序，所以你可以深度优先打开树，分析对性能影响最大的部分。

热点

如果你的应用程序运行得太慢，你要找到那些占用大部分时间的方法。通过调用树，有时可以直接找到这些方法， 但通常这样做是行不通的，因为调用树可能很大而且有大量叶节点
在这种情况下，你需要反转调用树：一个所有方法的列表，按其总的自身时间排序，从所有不同的调用堆栈中累计出来， 并通过回溯跟踪显示这些方法是如何被调用的。在热点树中，叶节点是入口点， 就像应用程序的main 方法或线程的run 方法。从热点树中最深的节点开始，调用向上传递到顶层节点。

回溯跟踪中的调用次数和执行时间并不是指该方法节点，而是指顶层热点节点在这条路径上被调用的次数。理解这一点很重要：粗略一看，你会认为看到的节点上的信息是该节点的调用次数。然而，在热点树中，该信息显示的是该节点对顶层节点的贡献。所以，你必须这样理解这些数字: 沿着这个倒置的调用堆栈，顶层热点被调用了n 次，总持续时间为t 秒。

通过这里可以看到这个 CASE 是因为正则导致的 CPU 热点。

测试代码

static String pattern = " ^([\\u4e00-\\u9fa5]+)((·[\\u4e00-\\u9fa5]+)+|([\\u4e00-\\u9fa5]+))$";
static String defaultName = "张三·无论其是看都看呐阿斯顿啊·萨肯萨肯打开你发都看啊看你发个卡看那可能发看那个可能看呐";

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";
    }
}

参考文档

• jcmd 指令详解：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 中文手册：https://www.ej-technologies.com/resources/jprofiler/v/13.0/help_zh_CN/doc/main/memory.html。