JVM JFR 事件：追踪应用中的线程竞争与锁等待
大家好，今天我们来深入探讨一下如何使用 JVM 的 Java Flight Recorder (JFR) 事件来追踪应用中的线程竞争与锁等待，并获取详细的数据。线程竞争和锁等待是多线程应用中常见的性能瓶颈，理解并解决这些问题对于优化应用性能至关重要。
1. 什么是 JFR？
Java Flight Recorder (JFR) 是 Oracle JDK 提供的一个强大的诊断和性能分析工具。它可以在 Java 应用程序运行时收集各种事件，例如 CPU 使用率、内存分配、垃圾回收、线程活动、I/O 操作等等。这些事件数据可以用来分析应用程序的性能瓶颈，并找到优化方向。JFR 的主要特点包括：
- 低开销： JFR 被设计成对应用程序的性能影响尽可能小，通常只有 1% 左右的开销。
- 细粒度数据： JFR 可以收集非常细粒度的数据，例如单个方法的执行时间、锁的持有时间等等。
- 可配置性： JFR 可以根据需要配置收集哪些事件，以及事件的采样频率。
- 易于使用： JDK 自带 JFR，无需安装额外的工具。
2. 线程竞争与锁等待
在多线程应用程序中，多个线程可能会尝试访问共享资源。为了保证数据的一致性，我们需要使用锁来控制对共享资源的访问。但是，如果多个线程竞争同一个锁，就会导致线程阻塞和等待，从而降低应用程序的性能。
线程竞争和锁等待可能由多种原因引起，例如：
- 锁粒度过粗： 如果锁保护的范围过大，会导致不必要的线程阻塞。
- 锁持有时间过长： 如果线程持有锁的时间过长，其他线程就需要等待更长的时间。
- 死锁： 多个线程互相等待对方释放锁，导致所有线程都无法继续执行。
- 活锁： 多个线程不断尝试获取锁，但每次都失败，导致所有线程都无法取得进展。
3. JFR 中与线程竞争和锁等待相关的事件
JFR 提供了多种事件来帮助我们分析线程竞争和锁等待问题，其中最常用的事件包括：
java.LockAcquire: 记录线程尝试获取锁的事件。java.LockWait: 记录线程等待获取锁的事件。java.ObjectAllocationInNewTLAB/java.ObjectAllocationOutsideTLAB: 虽然不是直接与锁相关，但是大量的对象分配可能导致频繁的垃圾回收，进而影响锁的竞争。
4. 使用 JFR 追踪线程竞争与锁等待
接下来，我们将通过一个示例来演示如何使用 JFR 追踪线程竞争和锁等待。
示例代码
首先，我们创建一个简单的多线程程序，模拟线程竞争和锁等待的场景：
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;
public class LockContentionExample {
private static final Lock lock = new ReentrantLock();
private static int counter = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 创建多个线程，模拟并发访问共享资源
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
lock.lock();
try {
counter++;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}).start();
}
// 等待所有线程执行完成
Thread.sleep(5000);
System.out.println("Counter value: " + counter);
}
}这段代码创建了 10 个线程，每个线程都会循环 10000 次，每次循环都会先获取锁，然后增加 counter 的值，最后释放锁。
启动 JFR
我们可以使用以下命令启动 JFR：
java -XX:StartFlightRecording=filename=myrecording.jfr,duration=60s,settings=profile LockContentionExample.java-XX:StartFlightRecording：启动 JFR 记录。filename=myrecording.jfr：指定 JFR 记录文件的名称。duration=60s：指定 JFR 记录的持续时间为 60 秒。settings=profile：指定 JFR 使用profile配置，该配置包含了较多的事件信息。如果需要更详细的信息，可以使用settings=default配置。
分析 JFR 数据
JFR 记录完成后，我们可以使用 JDK Mission Control (JMC) 或其他 JFR 分析工具来分析 JFR 数据。
-
使用 JMC 打开 JFR 文件： 打开 JMC，然后选择 "File" -> "Open File"，选择刚才生成的
myrecording.jfr文件。 -
查看 "Locks" 页面： 在 JMC 中，找到 "Locks" 页面。这个页面会显示锁的竞争情况，包括锁的持有者、等待线程数、等待时间等等。
- Lock Instances： 显示了所有被监控的锁实例。
- Contention： 显示了锁的竞争情况，包括总的等待时间、平均等待时间等。
- Wait Distribution： 显示了等待时间的分布情况。
-
查看 "Threads" 页面： 在 JMC 中，找到 "Threads" 页面。这个页面会显示所有线程的活动情况，包括线程的状态、CPU 使用率、锁等待时间等等。
- Thread States： 显示了线程的状态分布，例如 RUNNABLE、BLOCKED、WAITING 等。如果发现大量线程处于 BLOCKED 状态，说明线程竞争激烈。
- Thread Activity： 显示了每个线程的活动时间线，可以查看线程在哪些方法上花费了时间，以及线程是否在等待锁。
5. 使用 JFR API 自定义事件
除了 JFR 提供的标准事件外，我们还可以使用 JFR API 来自定义事件，以收集更详细的信息。
示例代码
import jdk.jfr.*;
@Name("com.example.MyCustomLockEvent")
@Label("My Custom Lock Event")
@Description("This event is emitted before and after lock acquisition.")
public class MyCustomLockEvent extends Event {
@Label("Lock Name")
public String lockName;
@Label("Thread ID")
public long threadId;
@Label("Is Before Lock")
public boolean isBeforeLock;
public MyCustomLockEvent(String lockName, boolean isBeforeLock) {
this.lockName = lockName;
this.threadId = Thread.currentThread().getId();
this.isBeforeLock = isBeforeLock;
}
public void commit() {
begin();
end();
super.commit();
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Lock lock = new ReentrantLock();
for (int i = 0; i < 2; i++) {
new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 100; j++) {
MyCustomLockEvent beforeLockEvent = new MyCustomLockEvent("myLock", true);
beforeLockEvent.commit();
lock.lock();
try {
// Simulate some work
Thread.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
MyCustomLockEvent afterLockEvent = new MyCustomLockEvent("myLock", false);
afterLockEvent.commit();
lock.unlock();
}
}
}).start();
}
Thread.sleep(5000);
}
}
在这个例子中，我们定义了一个名为 MyCustomLockEvent 的自定义事件，该事件记录了锁的名称、线程 ID 和是否在获取锁之前触发。在获取锁之前和释放锁之后，我们都会触发这个事件。
编译和运行代码
编译代码：
javac --release 11 MyCustomLockEvent.java运行代码，并启动 JFR：
java -XX:StartFlightRecording=filename=custom.jfr,duration=20s,settings=profile MyCustomLockEvent.java分析自定义事件
在 JMC 中打开 custom.jfr 文件，你可以在 "Event Browser" 中找到自定义事件 com.example.MyCustomLockEvent。通过分析这些事件，你可以更详细地了解锁的获取和释放情况。
6. 优化线程竞争与锁等待
通过 JFR 的分析，我们可以找到线程竞争和锁等待的瓶颈，然后采取相应的优化措施。
- 减少锁的持有时间： 尽量减少线程持有锁的时间，只在必要的时候才获取锁。
- 减小锁的粒度： 将一个大锁拆分成多个小锁，以减少线程竞争。可以使用
ConcurrentHashMap代替HashMap，使用ReentrantReadWriteLock代替ReentrantLock等。 - 使用无锁数据结构： 在某些情况下，可以使用无锁数据结构来避免锁的竞争。例如，可以使用
AtomicInteger代替Integer，使用ConcurrentLinkedQueue代替LinkedList等。 - 避免死锁： 确保线程获取锁的顺序一致，避免循环等待。
- 优化线程调度： 合理设置线程优先级，避免高优先级线程一直占用 CPU 资源，导致低优先级线程无法执行。
7. 结合代码示例看不同场景的优化策略
| 场景 | 问题描述 | 优化策略 | 代码示例 |
|---|---|---|---|
| 锁粒度过粗 | 多个线程频繁访问共享资源的不同部分，但使用同一个锁保护，导致不必要的阻塞。 | 分拆锁： 使用多个锁分别保护不同的资源部分。 | java // 原始代码：粗粒度锁 private static final Object lock = new Object(); private static int a; private static int b; public void updateAB(int deltaA, int deltaB) { synchronized (lock) { a += deltaA; b += deltaB; } } // 优化后：细粒度锁 private static final Object lockA = new Object(); private static final Object lockB = new Object(); private static int a; private static int b; public void updateAB(int deltaA, int deltaB) { synchronized (lockA) { a += deltaA; } synchronized (lockB) { b += deltaB; } } |
| 锁持有时间过长 | 线程持有锁的时间过长，导致其他线程长时间等待。 | 减少锁范围： 将不需要锁的代码移出同步块。 | java // 原始代码：锁范围过大 public void processData() { synchronized (lock) { // 大量耗时操作 data = loadDataFromDB(); // 不需要同步的操作 logData(data); } } // 优化后：减少锁范围 public void processData() { List<Data> data; synchronized (lock) { data = loadDataFromDB(); } // 不需要同步的操作 logData(data); } |
| 读多写少场景 | 读操作远多于写操作，使用互斥锁导致读线程之间也互相阻塞。 | 读写锁： 使用 ReentrantReadWriteLock，允许多个读线程同时访问，写线程独占访问。 |
java import java.util.concurrent.locks.ReadWriteLock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantReadWriteLock; private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); private String data; public String readData() { lock.readLock().lock(); try { return data; } finally { lock.readLock().unlock(); } } public void writeData(String newData) { lock.writeLock().lock(); try { this.data = newData; } finally { lock.writeLock().unlock(); } } |
| 频繁的小对象分配导致GC压力过大 | 线程频繁创建小对象，导致频繁的 Minor GC，进而影响锁竞争。 | 对象池： 使用对象池复用对象，减少对象创建和垃圾回收的频率。 | java import java.util.concurrent.BlockingQueue; import java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue; // 对象池 class DataObject { // ... } class DataObjectPool { private BlockingQueue<DataObject> pool; public DataObjectPool(int size) { pool = new LinkedBlockingQueue<>(size); for (int i = 0; i < size; i++) { pool.add(new DataObject()); } } public DataObject acquire() throws InterruptedException { return pool.take(); } public void release(DataObject obj) { pool.offer(obj); } } // 使用对象池 DataObjectPool objectPool = new DataObjectPool(100); DataObject obj = objectPool.acquire(); try { // 使用 obj } finally { objectPool.release(obj); } |
| 死锁 | 多个线程互相等待对方释放锁，导致所有线程都无法继续执行。 | 避免循环等待： 确保所有线程按照相同的顺序获取锁。使用锁超时机制，避免无限期等待。 | java import java.util.concurrent.TimeUnit; import java.util.concurrent.locks.Lock; import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock; private final Lock lock1 = new ReentrantLock(); private final Lock lock2 = new ReentrantLock(); public void method1() throws InterruptedException { if (lock1.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS)) { try { // ... if (lock2.tryLock(10, TimeUnit.MILLISECONDS)) { try { // ... } finally { lock2.unlock(); } } else { // 处理获取 lock2 失败的情况 } } finally { lock1.unlock(); } } else { // 处理获取 lock1 失败的情况 } } |
8. 总结
JFR 是一个强大的工具，可以帮助我们诊断和解决 Java 应用程序中的线程竞争和锁等待问题。通过分析 JFR 数据，我们可以找到性能瓶颈，并采取相应的优化措施。除了 JFR 提供的标准事件外，我们还可以使用 JFR API 来自定义事件，以收集更详细的信息。选择正确的优化策略，例如减少锁的持有时间，减小锁的粒度，使用无锁数据结构，避免死锁等，可以显著提高应用程序的性能。
9. 结论
掌握 JFR 的使用方法，并结合具体的代码场景，能够有效地定位和解决多线程应用中的性能问题。通过不断学习和实践，才能更好地利用 JFR 优化应用程序的性能。