JVM 实战(2)

12、JVM 实战 - jstack

一、概述

jstack是java虚拟机自带的一种堆栈跟踪工具。jstack用于打印出给定的java进程ID或core file或远程调试服务的Java堆栈信息，如果是在64位机器上，需要指定选项"-J-d64"，Windows的jstack使用方式只支持以下的这种方式：

jstack [-l] pid

主要分为两个功能：

a．针对活着的进程做本地的或远程的线程dump；

b．针对core文件做线程dump。

stack用于生成java虚拟机当前时刻的线程快照。线程快照是当前java虚拟机内每一条线程正在执行的方法堆栈的集合，生成线程快照的主要目的是定位线程出现长时间停顿的原因，如线程间死锁、死循环、请求外部资源导致的长时间等待等。线程出现停顿的时候通过jstack来查看各个线程的调用堆栈，就可以知道没有响应的线程到底在后台做什么事情，或者等待什么资源。如果java程序崩溃生成core文件，jstack工具可以用来获得core文件的java stack和native stack的信息，从而可以轻松地知道java程序是如何崩溃和在程序何处发生问题。另外，jstack工具还可以附属到正在运行的java程序中，看到当时运行的java程序的java stack和native stack的信息, 如果现在运行的java程序呈现hung的状态，jstack是非常有用的。

jstack命令主要用来查看Java线程的调用堆栈的，可以用来分析线程问题（如死锁）。

1.1、线程的几种状态：

NEW,未启动的。不会出现在Dump中。

**RUNNABLE,**在虚拟机内执行的。运行中状态，可能里面还能看到locked字样，表明它获得了某把锁。

BLOCKED,受阻塞并等待监视器锁。被某个锁(synchronizers)給block住了。

WATING,无限期等待另一个线程执行特定操作。等待某个condition或monitor发生，一般停留在park(), wait(), sleep(),join() 等语句里。

**TIMED_WATING,**有时限的等待另一个线程的特定操作。和WAITING的区别是wait() 等语句加上了时间限制 wait(timeout)。

TERMINATED,已退出的。

1.2、Monitor

在多线程的 JAVA程序中，实现线程之间的同步，主要是 Monitor。 Monitor是 Java中用以实现线程之间的互斥与协作的主要手段，它可以看成是对象或者Class的锁。每一个对象都有，也仅有一个monitor。下面这个图，描述了线程和 Monitor之间关系，以及线程的状态转换图：

进入区(Entrt Set):表示线程通过synchronized要求获取对象的锁。如果对象未被锁住,则迚入拥有者;否则则在进入区等待。一旦对象锁被其他线程释放,立即参与竞争。

拥有者(The Owner):表示某一线程成功竞争到对象锁。

等待区(Wait Set):表示线程通过对象的wait方法,释放对象的锁,并在等待区等待被唤醒。

从图中可以看出，一个Monitor在某个时刻，只能被一个线程拥有，该线程就是 “Active Thread”，而其它线程都是 “Waiting Thread”，分别在两个队列 “ Entry Set”和 “Wait Set”里面等候。在 “Entry Set”中等待的线程状态是 “Waiting for monitor entry”，而在“Wait Set”中等待的线程状态是 “in Object.wait()”。先看 “Entry Set”里面的线程。我们称被 synchronized保护起来的代码段为临界区。当一个线程申请进入临界区时，它就进入了 “Entry Set”队列。对应的 code就像：

synchronized(obj) {
//.........
}

1.3、调用修饰

表示线程在方法调用时,额外的重要的操作。线程Dump分析的重要信息。修饰上方的方法调用。

locked <地址> 目标：使用synchronized申请对象锁成功,监视器的拥有者。

waiting to lock <地址> 目标：使用synchronized申请对象锁未成功,在迚入区等待。

waiting on <地址> 目标：使用synchronized申请对象锁成功后,释放锁幵在等待区等待。

parking to wait for <地址> 目标

1.3.1、locked

at oracle.jdbc.driver.PhysicalConnection.prepareStatement
- locked <0x00002aab63bf7f58> (a oracle.jdbc.driver.T4CConnection)
at oracle.jdbc.driver.PhysicalConnection.prepareStatement
- locked <0x00002aab63bf7f58> (a oracle.jdbc.driver.T4CConnection)
at com.jiuqi.dna.core.internal.db.datasource.PooledConnection.prepareStatement

通过synchronized关键字,成功获取到了对象的锁,成为监视器的拥有者,在临界区内操作。对象锁是可以线程重入的。

1.3.2、waiting to lock

at com.jiuqi.dna.core.impl.CacheHolder.isVisibleIn(CacheHolder.java:165)
- waiting to lock <0x0000000097ba9aa8> (a CacheHolder)
at com.jiuqi.dna.core.impl.CacheGroup$Index.findHolder
at com.jiuqi.dna.core.impl.ContextImpl.find
at com.jiuqi.dna.bap.basedata.common.util.BaseDataCenter.findInfo

通过synchronized关键字,没有获取到了对象的锁,线程在监视器的进入区等待。在调用栈顶出现,线程状态为Blocked。

1.3.3、waiting on

at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on <0x00000000da2defb0> (a WorkingThread)
at com.jiuqi.dna.core.impl.WorkingManager.getWorkToDo
- locked <0x00000000da2defb0> (a WorkingThread)
at com.jiuqi.dna.core.impl.WorkingThread.run

通过synchronized关键字,成功获取到了对象的锁后,调用了wait方法,进入对象的等待区等待。在调用栈顶出现,线程状态为WAITING或TIMED_WATING。

1.3.4、parking to wait for

park是基本的线程阻塞原语,不通过监视器在对象上阻塞。随concurrent包会出现的新的机制,不synchronized体系不同。

1.4、线程动作

线程状态产生的原因

runnable:状态一般为RUNNABLE。

in Object.wait():等待区等待,状态为WAITING或TIMED_WAITING。

waiting for monitor entry:进入区等待,状态为BLOCKED。

waiting on condition:等待区等待、被park。

sleeping:休眠的线程,调用了Thread.sleep()。

Wait on condition 该状态出现在线程等待某个条件的发生。具体是什么原因，可以结合 stacktrace来分析。最常见的情况就是线程处于sleep状态，等待被唤醒。常见的情况还有等待网络IO：在java引入nio之前，对于每个网络连接，都有一个对应的线程来处理网络的读写操作，即使没有可读写的数据，线程仍然阻塞在读写操作上，这样有可能造成资源浪费，而且给操作系统的线程调度也带来压力。在 NewIO里采用了新的机制，编写的服务器程序的性能和可扩展性都得到提高。正等待网络读写，这可能是一个网络瓶颈的征兆。因为网络阻塞导致线程无法执行。一种情况是网络非常忙，几乎消耗了所有的带宽，仍然有大量数据等待网络读写；另一种情况也可能是网络空闲，但由于路由等问题，导致包无法正常的到达。所以要结合系统的一些性能观察工具来综合分析，比如 netstat统计单位时间的发送包的数目，如果很明显超过了所在网络带宽的限制 ; 观察 cpu的利用率，如果系统态的 CPU时间，相对于用户态的 CPU时间比例较高；如果程序运行在 Solaris 10平台上，可以用 dtrace工具看系统调用的情况，如果观察到 read/write的系统调用的次数或者运行时间遥遥领先；这些都指向由于网络带宽所限导致的网络瓶颈。（来自http://www.blogjava.net/jzone/articles/303979.html）

二、命令格式

jstack [ option ] pid
jstack [ option ] executable core
jstack [ option ] [server-id@]remote-hostname-or-IP

2.1、常用参数说明

1）options：

executable Java executable from which the core dump was produced.(可能是产生core dump的java可执行程序)

core 将被打印信息的core dump文件

remote-hostname-or-IP 远程debug服务的主机名或ip

server-id 唯一id,假如一台主机上多个远程debug服务

2）基本参数：

-F当’jstack [-l] pid’没有相应的时候强制打印栈信息,如果直接jstack无响应时，用于强制jstack），一般情况不需要使用

-l长列表. 打印关于锁的附加信息,例如属于java.util.concurrent的ownable synchronizers列表，会使得JVM停顿得长久得多（可能会差很多倍，比如普通的jstack可能几毫秒和一次GC没区别，加了-l 就是近一秒的时间），-l 建议不要用。一般情况不需要使用

-m打印java和native c/c++框架的所有栈信息.可以打印JVM的堆栈,显示上Native的栈帧，一般应用排查不需要使用

-h| -help打印帮助信息

pid需要被打印配置信息的java进程id,可以用jps查询.

2.2、线程dump的分析工具：

IBM Thread and Monitor Dump Analyze for Java 一个小巧的Jar包，能方便的按状态，线程名称，线程停留的函数排序，快速浏览。

http://spotify.github.io/threaddump-analyzer Spotify提供的Web版在线分析工具，可以将锁或条件相关联的线程聚合到一起。

一般情况下，通过jstack输出的线程信息主要包括：jvm自身线程、用户线程等。其中jvm线程会在jvm启动时就会存在。对于用户线程则是在用户访问时才会生成。

三、使用示例

3.1、jstack 查看线程具体在做什么，可看出哪些线程在长时间占用CPU，尽快定位问题和解决问题

1.top查找出哪个进程消耗的cpu高。执行top命令，默认是进程视图，其中PID是进程号
21125 co_ad2    18   0 1817m 776m 9712 S  3.3  4.9  12:03.24 java                                                                                           
5284 co_ad     21   0 3028m 2.5g 9432 S  1.0 16.3   6629:44 ja

这里我们分析21125这个java进程
2.top中shift+h 或“H”查找出哪个线程消耗的cpu高 
先输入top，然后再按shift+h 或“H”，此时打开的是线程视图，pid为线程号
21233 co_ad2    15   0 1807m 630m 9492 S  1.3  4.0   0:05.12 java                                                                                           
20503 co_ad2_s  15   0 1360m 560m 9176 S  0.3  3.6   0:46.72 java                                                                                           

这里我们分析21233这个线程，并且注意的是，这个线程是属于21125这个进程的。 

3.使用jstack命令输出这一时刻的线程栈，保存到文件，命名为jstack.log。注意：输出线程栈和保存top命令快照尽量同时进行。
  由于jstack.log文件记录的线程ID是16进制，需要将top命令展示的线程号转换为16进制。

4. jstack查找这个线程的信息 
jstack [进程]|grep -A 10 [线程的16进制] 
即： jstack 21125|grep -A 10 52f1  

-A 10表示查找到所在行的后10行。21233用计算器转换为16进制52f1，注意字母是小写。 
结果： 
 
"http-8081-11" daemon prio=10 tid=0x00002aab049a1800 nid=0x52bb in Object.wait() [0x0000000042c75000]  
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)  
     at java.lang.Object.wait(Native Method)  
     at java.lang.Object.wait(Object.java:485)  
     at org.apache.tomcat.util.net.JIoEndpoint$Worker.await(JIoEndpoint.java:416)  

在结果中查找52f1，可看到当前线程在做什么。

3.2、代码测试

public class JStackDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            //Do Nothing
        }
    }
}

先是有jps查看进程号：

jps
29788 JStackDemo1
29834 Jps

然后使用jstack 查看堆栈信息：

$ jstack 29788
2015-04-17 23:47:31
...此处省略若干内容...
"main" prio=10 tid=0x00007f197800a000 nid=0x7462 runnable [0x00007f197f7e1000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
    at javaCommand.JStackDemo1.main(JStackDemo1.java:7)

可以看到，当前一共有一条用户级别线程,线程处于runnable状态，执行到JStackDemo1.java的第七行。

3.3、代码测试

public class JStackDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        Thread thread = new Thread(new Thread1());
        thread.start();
    }
}
class Thread1 implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            System.out.println(1);
        }
    }
}

线程堆栈信息

"Reference Handler" daemon prio=10 tid=0x00007fbbcc06e000 nid=0x286c in Object.wait() [0x00007fbbc8dfc000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
    at java.lang.Object.wait(Native Method)
    - waiting on <0x0000000783e066e0> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
    at java.lang.Object.wait(Object.java:503)
    at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:133)
    - locked <0x0000000783e066e0> (a java.lang.ref.Reference$Lock)

我们能看到：

线程的状态： WAITING 线程的调用栈线程的当前锁住的资源： <0x0000000783e066e0> 线程当前等待的资源：<0x0000000783e066e0>

为什么同时锁住的等待同一个资源：

线程的执行中，先获得了这个对象的 Monitor（对应于 locked <0x0000000783e066e0>）。当执行到 obj.wait(), 线程即放弃了 Monitor的所有权，进入 “wait set”队列（对应于 waiting on <0x0000000783e066e0> ）。