JVM的JFR/JMC（飞行记录仪）低开销诊断：实现生产环境的性能Profiling

大家好！今天我们来聊聊Java虚拟机（JVM）自带的强大工具：Java Flight Recorder (JFR) 和 Java Mission Control (JMC)。它们提供了一种低开销的方式，在生产环境中对Java应用程序进行性能Profiling和诊断。传统的Profiling工具往往会对应用程序的性能产生较大的影响，使得在生产环境中使用变得困难。JFR/JMC的出现，旨在解决这个问题，它以极低的性能损耗，记录JVM运行时的各种事件，帮助我们定位性能瓶颈、内存泄漏、死锁等问题。

1. JFR：JVM内部的“黑匣子”

Java Flight Recorder（JFR）是JVM内置的事件记录框架。它记录了JVM在运行时的各种事件，例如：

CPU 使用情况： 线程占用 CPU 的时间，系统调用等。
内存分配： 对象创建、垃圾回收、内存泄漏等。
I/O 操作： 文件读写、网络通信等。
锁竞争： 线程等待锁的时间、锁的持有者等。
方法执行： 方法调用、执行时间等。
GC： 垃圾回收的频率、持续时间、回收类型等。

JFR的设计目标是低开销。它通过在JVM内部进行采样和事件缓冲，最大限度地减少对应用程序性能的影响。通常情况下，JFR的开销低于1%。

1.1 启动JFR

启动 JFR 的方式有多种，最常见的是通过命令行参数。以下是一些示例：

启动时启用JFR：
```
java -XX:StartFlightRecording=duration=60s,filename=myrecording.jfr,settings=profile my.application.MainClass
```
- StartFlightRecording：启动 JFR 录制。
- duration：录制时长，单位可以是 s（秒）、m（分钟）、h（小时）、d（天）。
- filename：录制文件的名称。
- settings：指定 JFR 的配置。profile 配置提供了更详细的信息，而 default 配置则开销更低。
运行时启动JFR：

可以使用 jcmd 工具在 JVM 运行时启动 JFR。首先，需要找到 JVM 的进程 ID：
```
jps
```
然后，使用 jcmd 启动 JFR：
```
jcmd <pid> JFR.start duration=60s filename=myrecording.jfr settings=profile
```
- <pid>： JVM 的进程 ID。
- JFR.start：启动 JFR 录制。

使用代码控制JFR：

在JDK 11及更高版本中，可以使用jdk.jfr API直接控制JFR的启动、停止等。

import jdk.jfr.*;
import jdk.jfr.consumer.*;
import java.nio.file.*;
import java.time.*;
import java.util.List;

public class JFRExample {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Path recordingFile = Paths.get("myrecording.jfr");

        // 启动 JFR 录制
        try (Recording recording = new Recording()) {
            recording.enable("jdk.CPULoad").withPeriod(Duration.ofSeconds(1)); // 采样 CPU 负载
            recording.enable("jdk.GarbageCollection"); // 启用 GC 事件
            recording.setDuration(Duration.ofSeconds(10)); // 录制时长
            recording.setDestination(recordingFile); // 录制文件
            recording.start();

            // 模拟一些工作
            for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
                Math.sqrt(i);
            }

            recording.dump(recordingFile);
        }

        // 读取 JFR 录制文件
        try (var events = RecordingFile.readAllEvents(recordingFile)) {
            for (RecordedEvent event : events) {
                if (event.getEventType().getName().equals("jdk.CPULoad")) {
                    System.out.println("CPU Load: " + event.getDouble("jvmUser") + "%");
                } else if (event.getEventType().getName().equals("jdk.GarbageCollection")) {
                    System.out.println("GC: " + event.getString("name"));
                }
            }
        }
    }
}

这个例子演示了如何通过代码启动 JFR 录制，并读取录制文件中的事件。

1.2 JFR 配置

JFR 提供了两种预定义的配置：

default： 默认配置，开销最低，记录的信息较少。
profile： 提供更详细的信息，但开销相对较高。

除了预定义的配置外，还可以自定义 JFR 配置。自定义配置允许我们精确地控制哪些事件被记录，以及事件的采样频率。

JFR配置使用 .jfc 文件描述，可以自己编辑配置。例如一个自定义配置如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<configuration version="2.0" label="My Custom Config" description="A custom configuration for JFR">
  <event name="jdk.CPULoad">
    <setting name="enabled">true</setting>
    <setting name="period">1 s</setting>
  </event>
  <event name="jdk.GarbageCollection">
    <setting name="enabled">true</setting>
  </event>
  <event name="jdk.ObjectAllocationOutsideTLAB">
    <setting name="enabled">true</setting>
    <setting name="threshold">10 ms</setting>
  </event>
  <event name="jdk.SocketRead">
    <setting name="enabled">true</setting>
    <setting name="threshold">20 ms</setting>
  </event>
</configuration>

使用自定义配置启动 JFR：

java -XX:StartFlightRecording=duration=60s,filename=myrecording.jfr,settings=/path/to/myconfig.jfc my.application.MainClass

1.3 JFR事件类型

JFR 记录的事件类型非常丰富，涵盖了 JVM 运行时的各个方面。一些常用的事件类型包括：

事件类型	描述
`jdk.CPULoad`	CPU 使用情况，包括 JVM 用户态、系统态和空闲时间。
`jdk.GarbageCollection`	垃圾回收事件，包括 GC 类型、持续时间、回收前后内存使用情况等。
`jdk.ObjectAllocationOutsideTLAB`	在线程本地分配缓冲区（TLAB）之外分配的对象。
`jdk.SocketRead`	Socket 读取事件，包括读取的字节数、持续时间等。
`jdk.FileRead`	文件读取事件，包括读取的字节数、持续时间等。
`jdk.ThreadPark`	线程阻塞事件，例如等待锁、等待 I/O 等。
`jdk.JavaMonitorEnter`	线程进入 Java 监视器（synchronized 块）事件。
`jdk.ExecuteableList`	记录编译后的可执行代码的信息，可以帮助定位热点代码。

2. JMC：强大的可视化分析工具

Java Mission Control（JMC）是一个用于分析 JFR 数据的可视化工具。它可以帮助我们：

查看 JFR 数据： 以图形化的方式展示 JFR 记录的事件。
分析性能瓶颈： 快速定位 CPU 占用高、内存泄漏、锁竞争等问题。
诊断内存泄漏： 分析堆转储文件，查找内存泄漏的根源。
监控 JVM 运行时状态： 实时监控 JVM 的 CPU 使用率、内存使用率、线程状态等。

2.1 安装和启动 JMC

JMC 通常包含在 JDK 中，位于 $JAVA_HOME/bin/jmc。如果没有安装，可以从 Oracle 官网下载。

启动 JMC 后，可以看到一个主界面，可以连接到本地或远程的 JVM，并打开 JFR 录制文件。

2.2 JMC 主要功能

Overview（概述）： 提供 JFR 数据的概览，包括 CPU 使用率、内存使用率、GC 活动等。
Memory（内存）： 展示内存使用情况，包括堆大小、堆使用率、GC 活动等。可以分析 GC 的频率、持续时间，以及不同代的内存使用情况。
Threads（线程）： 展示线程活动，包括线程状态、CPU 使用率、锁竞争等。可以分析线程阻塞的原因，以及锁竞争的激烈程度。
I/O： 展示 I/O 活动，包括文件读写、网络通信等。可以分析 I/O 操作的延迟，以及 I/O 瓶颈。
Method Profiling (方法分析): 展示方法的调用次数和执行时间，可以快速定位热点方法。
Locks（锁）： 展示锁竞争情况，包括锁的持有者、等待者、等待时间等。可以分析死锁的发生，以及锁竞争的根源。
Events（事件）： 以表格的形式展示 JFR 记录的所有事件。可以根据事件类型、时间范围等进行过滤和排序。
Automated Analysis（自动分析）： JMC 会自动分析 JFR 数据，并给出一些建议，例如内存泄漏、锁竞争等。

2.3 使用 JMC 分析 JFR 数据

下面通过一个简单的示例，演示如何使用 JMC 分析 JFR 数据。

启动 JFR 录制：

java -XX:StartFlightRecording=duration=60s,filename=myrecording.jfr,settings=profile my.application.MainClass

运行应用程序：

运行 my.application.MainClass 应用程序，使其产生一些 CPU 负载、内存分配等。
打开 JFR 录制文件：

在 JMC 中，选择 "File" -> "Open File…"，打开 myrecording.jfr 文件。
分析 JFR 数据：
- Overview： 查看 CPU 使用率、内存使用率、GC 活动等。如果 CPU 使用率较高，可以进一步分析线程活动，查找 CPU 占用高的线程。如果内存使用率较高，可以进一步分析 GC 活动，查找内存泄漏的根源。
- Memory： 查看堆大小、堆使用率、GC 活动等。如果 GC 频率较高，可以尝试调整 JVM 的堆大小，或者优化应用程序的内存使用。
- Threads： 查看线程状态、CPU 使用率、锁竞争等。如果线程阻塞较多，可以进一步分析锁竞争情况，查找锁竞争的根源。
- Method Profiling: 查看方法的调用次数和执行时间，快速定位热点方法。

2.4 JMC 插件

JMC 支持插件扩展，可以安装一些第三方插件，增强 JMC 的功能。例如，可以安装一些用于分析特定框架（如 Spring、Hibernate）的插件。

3. 生产环境下的JFR实践

在生产环境中使用 JFR 需要注意以下几点：

低开销： 选择合适的 JFR 配置，尽量减少对应用程序性能的影响。可以使用 default 配置，或者自定义配置，只记录必要的事件。
持续监控： 可以配置 JFR 持续录制，例如每天生成一个 JFR 文件。这样可以在出现问题时，快速找到相关的 JFR 数据。
自动化分析： 可以编写脚本，定期分析 JFR 数据，并生成报告。这样可以及时发现潜在的问题，并采取相应的措施。
权限控制： 需要对 JFR 录制文件进行权限控制，防止敏感信息泄露。

3.1 案例分析：定位CPU占用过高问题

假设生产环境的某个Java应用CPU占用率持续偏高，影响了服务的响应速度。我们可以通过JFR来定位问题。

开启JFR录制：
```
jcmd <pid> JFR.start duration=300s filename=/tmp/cpu_high.jfr settings=profile
```
这里录制5分钟的JFR数据，使用profile配置，尽可能记录更详细的信息。
使用JMC分析：

打开cpu_high.jfr文件，首先查看Overview，确认CPU使用率确实很高。然后进入"Threads"视图，按照CPU时间排序，可以找到占用CPU时间最多的线程。

如果发现某个线程一直在执行某个方法，那么这个方法很可能就是CPU瓶颈。可以进一步查看"Method Profiling"视图，确认该方法的调用次数和执行时间。

如果发现大量的线程处于WAITING或BLOCKED状态，那么很可能存在锁竞争或者死锁。可以进一步查看"Locks"视图，分析锁的持有者和等待者。
代码分析与优化：

根据JMC的分析结果，定位到具体的代码，进行代码分析和优化。例如，可以优化算法，减少计算量；可以减少锁的竞争，避免死锁；可以使用缓存，减少IO操作。

3.2 案例分析：定位内存泄漏问题

假设生产环境的某个Java应用出现内存泄漏，导致JVM频繁进行Full GC，影响了服务的稳定性。

开启JFR录制：

jcmd <pid> JFR.start duration=3600s filename=/tmp/memory_leak.jfr settings=profile

这里录制1小时的JFR数据，使用profile配置。

使用JMC分析：

打开memory_leak.jfr文件，首先查看"Memory"视图，确认Full GC的频率很高。然后查看"Allocation"标签页，可以查看对象的分配情况，包括分配的对象类型、大小、分配线程等。

可以按照对象类型排序，找到分配数量最多的对象类型。如果某个对象类型的数量持续增长，且没有被垃圾回收，那么很可能存在内存泄漏。

还可以使用JMC的"Heap Dump"功能，生成堆转储文件，然后使用MAT等工具进行分析，找到内存泄漏的根源。
代码分析与优化：

根据JMC和MAT的分析结果，定位到具体的代码，进行代码分析和优化。例如，可以检查对象的生命周期，确保不再使用的对象能够被及时回收；可以避免静态集合持有对象引用，导致对象无法被回收；可以使用WeakReference或SoftReference，避免内存泄漏。

4. JFR/JMC 与其他Profiling工具的对比

工具	开销	数据粒度	可视化	易用性	适用场景
JFR/JMC	低	细粒度	强大	较高	生产环境，需要低开销的Profiling，以及详细的JVM运行时数据。
JProfiler/YourKit	中等	细粒度	强大	较高	开发和测试环境，需要详细的Profiling数据，以及强大的可视化功能。
VisualVM	中等	细粒度	一般	中等	开发和测试环境，需要基本的Profiling功能，以及简单的可视化功能。
Async Profiler	低	细粒度	一般（需要配合Flame Graph）	较高	生产环境，需要低开销的CPU Profiling，以及Flame Graph可视化。
Btrace	可配置	细粒度	无	较高	需要在线诊断和监控，可以动态地插入和移除探针，但需要谨慎使用，避免对性能产生过大的影响。

5. 高效利用 JFR/JMC 的关键点

明确目标： 在启动 JFR 之前，明确要解决的问题，例如 CPU 占用高、内存泄漏、锁竞争等。
选择合适的配置： 根据目标选择合适的 JFR 配置，尽量减少对应用程序性能的影响。
分析关键指标： 重点关注 CPU 使用率、内存使用率、GC 活动、线程状态等关键指标。
结合代码分析： 将 JFR 分析结果与代码结合起来，找到问题的根源。
持续学习： 持续学习 JFR/JMC 的新功能和最佳实践，提高分析效率。

6. 总结一下JFR/JMC的价值

JFR/JMC作为JVM自带的Profiling工具，以其低开销、易用性、强大的可视化分析能力，成为生产环境性能诊断的重要利器。掌握JFR/JMC的使用，能够帮助我们快速定位和解决各种性能问题，提高Java应用的稳定性和性能。