JVM问题分析处理手册-编程知识

一.前言

各位开发和运维同学，在项目实施落地的过程中，尤其是使用EDAS、DRDS、MQ这些java中间件时，肯定会遇到不少JAVA程序运行和JVM的问题。我结合过去遇到的各种各样的问题和实际处理经验，总结了JAVA问题的处理方式，希望能帮助到大家。

二.问题处理总体概括

如下图所示：

问题处理分为三大类：
1.问题发生后的紧急处理原则
2.问题归类和分析
3.分析排查工具和命令
通常来说，最后的解决方式有两种，第一种是最普遍的，绝大部分的最终问题原因可以定位到代码层面，修改代码后问题解决。
第二种，调整某些JVM参数，缓解问题发生的频率和时间，但是治标不治本，所以本篇分析文档并未涉及JVM参数的优化调整。

三.紧急处理原则

问题发生后，第一时间是快速保留问题现场供后面排查定位，然后尽快恢复服务。保留现场的具体操作：

打印堆栈信息，命令行：jstat -l 'java进程PID'
打印内存镜像，命令行：jmap -dump:format=b,file=hprof 'java进程PID'
生成core文件，命令行：gcore 'java进程PID'
保留gc日志文件
保留业务日志文件
查看JAVA堆内存运行分配：命令行：jstat -gcutil 'java进程PID' 1000
完成以上操作后，尽快重启JAVA进程或回滚，恢复服务。

四.问题归类和分析

当应用系统运行缓慢，页面加载时间变长，后台长时间无影响时，都可以参考以下归类的解决方法。绝大部分的JAVA程序运行时异常都是Full GC、OOM(java.lang.OutOfMemoryError)、线程过多。主要分这么几大类：

持续发生Full GC，但是系统不抛出OOM错误
堆内存溢出：java.lang.OutOfMemoryError：Java heap space
线程过多：java.lang.OutOfMemoryError：unable to create new native thread
JAVA进程退出
CPU占用过高

通常来说，可以用一些常用的命令行来打印堆栈、内存使用分配、打印内存镜像文件来分析，比如jstack、jstat、jmap等。但是某些时刻，还是需要引入更高阶的代码级分析工具（比如btrace）才能定位到具体原因。针对每一种问题，我会依据具体的case来详细说明解决方式。

五.分析排查工具和命令

问题排查，除了最重要的解决思路外，合理的运用工具也能达到事半功倍的效果，某些时候用好了工具，甚至能直接定位到导致问题的具体代码。

JDK自带工具

Jstat

实时查看gc的状况，通过jstat -gcutil 可以查看new区、old区等堆空间的内存使用详情，以及gc发生的次数和时间

Jstack

很重要的命令，jstack可以用来查看Java进程里的线程都在干什么，对于应用没反应、响应非常慢等场景都有很大的帮助。几乎所有java问题排查时，我第一选择都是使用jstack命令打印线程信息。

Jmap

jmap -dump用于保存堆内存镜像文件，供后续MAT或其他的内存分析工具使用。jmap -histo:live也可以强制执行full gc。

Jinfo

通常我用它来查看Java的启动参数

gcore

我通常会使用gcore命令来保留问题现场，速度非常快。某些时候执行jstack或jmap会报错，加-F也不行，这个时候就可以用gcore命令，gcore javapid 可以生成core文件，可以通过jstack和jmap命令从core文件里导出线程和内存镜像文件。

堆内存分析工具

MAT

eclipse官方推出的本地内存分析工具，运行需要大量内存，从使用角度来讲，并不方便。我现在已经很少使用。

ZProfiler

阿里中间件出品的在线堆内存分析工具，链接是：http://zprofiler.alibaba-inc.com，不需要拷贝镜像文件，直接在线分析。

EagleEye-MProf

也是阿里中间件团队推出的，适用于复杂云环境的轻量级java堆内存分析工具，非常好用。在公共云或者专有云的机器上，运行的是客户的机器。由于权限或者网络的关系，我们很难去执行jmap进行heap dump，或者scp上传dump文件。这个工具可以直接在ECS上分析，而不用下载dump文件。

代码跟踪工具

Btrace

Java代码动态跟踪神器。少数的问题可以mat后直接看出，而多数会需要再用btrace去动态跟踪。比如排查线程创建过多的场景，通过btrace可以直接定位到哪段代码创建了大量线程。
比较麻烦的就是要自行编写脚本，不过现成的脚本也有不少，可以直接使用。

六.案例分析一：持续出现Full GC

处理原则

如果发现cms gc或full gc后，存活的对象始终很多，这种情况下可以通过jmap -dump来获取下内存dump文件，也可以通过gcore命令生成core文件，再用jmap从core里导出dump文件。然后通过MAT、ZProfile、EagleEye-MProf来分析内存镜像分布。如果还不能定位，最后使用btrace来定位到具体的原因。对于cms gc而言，还有可能会出现promotion failed或concurrent mode failure问题。

分析过程

1. 查看GC日志：

发现应用系统一直在做full gc，而且还有报错“concurrent mode failure”，这表示在执行gc过程中，有对象要晋升到旧生代，而此时旧生代空间不足造成的。

2. 查看应用访问日志：

有条很可疑的访问记录，响应时间特别长，达到了60S，直接超时了。

3. 查看JVM内存分配详情：

如何判断JVM垃圾回收是否正常，我通常会使用jstat命令，jstat是JDK自带的一个轻量级小工具。全称“Java Virtual Machine statistics monitoring tool”，它位于java的bin目录下，主要利用JVM内建的指令对Java应用程序的资源和性能进行实时的命令行的监控，包括了对Heap size和垃圾回收状况的监控。可见，jstat是轻量级的、专门针对JVM的工具，非常适用。jstat工具特别强大，有众多的可选项，详细查看堆内各个部分的使用量，以及加载类的数量。使用时，需加上查看进程的进程id，和所选参数。
执行：cd $JAVA_HOME/bin中执行jstat，注意jstat后一定要跟参数。
具体命令行：jstat -gcutil 'java进程PID' 1000

如图所示，发现Eden区、Old区都满了，此时新创建的对象无法存放，晋升到Old区的对象也无法存放，所以系统持续出现Full GC了。

4. 分析内存镜像：

这种问题比较直观，需要dump内存镜像，然后用MAT或者Zprofiler工具分析heapdump文件。
MAT(Memory Analyzer Tool)，一个基于 Eclipse 的内存分析工具，是一个快速、功能丰富的 JAVA heap 分析工具，它可以帮助我们查找内存泄漏问题。
Zprofiler是阿里中间件团队推出的在线JAVA内存分析工具，不用在本地运行，访问http://zprofiler.alibaba-inc.com/ 即可。
保存内存镜像的命令：jmap -dump:format=b,file=hprof 'java进程PID'，通常来讲这个文件会比较大，一般都会有好几个G。
用MAT或ZProfile分析结果如下，基本定位了问题的原因

很明显，LinkedHashMap占用了91.41%的内存，里面有大量的ThRoomQuotaDO的引用对象，很有可能是死循环造成了这样的现象。不过要寻找真实原因，还得看看具体的代码。

5. 查看源代码

查询ThRoomQuotaDO类的源代码，发现了导致死循环的代码，如下：

代码段一：
`if(start == null || end == null || start.before(now)){

start = CalendarUtil.addDate(now, 1);end = CalendarUtil.addDate(start,1);`

这里的start和end就是之前应用访问日志里的那条get请求带进来的，请求的url如下：

请注意start=2010-04-031061，本来这个start的值是不规范的，但代码还是通过SimpleDateFormat把start解析成的Date为(Fri Apr 15 00:00:00 CST 2095)，所以不会进入代码段一的if块中去。

代码段二：
`Map roomQuotaMapFull = new LinkedHashMap();
for (Date d = hotelQuery.getStart(); d.compareTo(hotelQuery.getEnd()) != 0; d = CalendarUtil.addDate(d, 1)) {

ThRoomQuotaDO rq = new ThRoomQuotaDO();rq.setTheDate(d);rq.setMock();roomQuotaMapFull.put(d, rq);

这里就是最终导致full gc的代码：d.compareTo(hotelQuery.getEnd()) != 0，显然start和end是不相等的，所以陷入死循环中，以致把内存塞满了。
因此，最终的原因得到了定位，要解决起来那就很容易了。

6. 解决

代码段一：
修改导致问题的代码（标红处是修改后的）
if(start == null || end == null || start.before(now))|| start.after(end)){

start = CalendarUtil.addDate(now, 1);end = CalendarUtil.addDate(start,1);

}

代码段二：
for (Date d = hotelQuery.getStart();d.compareTo(hotelQuery.getEnd()) <= 0 ;d = CalendarUtil.addDate(d, 1)) {

ThRoomQuotaDO rq = new ThRoomQuotaDO();rq.setTheDate(d);rq.setMock();roomQuotaMapFull.put(d, rq);

}

重新打包发布后，内存恢复正常，再也没有发生此类问题。

案例分析二：OOM：unable to create new native thread

处理原则

在日志中可能会看到java.lang.OutOfMemoryError: Unable to create new native thread，可以先统计下目前的线程数(例如ps -eLf | grep java -c)，然后可以看看ulimit -u的限制值是多少，如线程数已经达到限制值，如限制值可调整，则可通过调整限制值来解决；如不能调限制值，或者创建的线程已经很多了，那就需要看看线程都是哪里创建出来的，首先用jstack命令打印线程堆栈信息，统计线程状态，然后通过btrace来查出是哪里创建的线程。
如果jstack执行失败的话，可以使用gcore命令生成core文件：gcore javapid > core.**
然后再用jstack和jmap可以导出堆栈和内存镜像文件。
具体命令：jstack $JAVA_HOME/bin/java core.** > jstack.log

分析过程

1. 查看GC日志：

发现gc都正常，没有full gc，new区，old区都正常，确定不是heap堆出问题。

2. 查看应用访问日志：

发现业务日志中有很多错误：

3. 查看线程堆栈：

查看jstack.log堆栈信息发现一共有8204个线程，其中blocked的有8169个，明显不正常。通过堆栈信息不能看出是什么导致创建了这么多线程，但是至少能确定导致oom的原因了：线程创建太多，且全部block了。下面就需要用btrace工具跟进分析具体是什么代码创建了这么多的线程。

4. 使用Btrace工具分析：

编写btrace脚本ThreadStart.java，内容如下：
`import static com.sun.btrace.BTraceUtils.*;
import com.sun.btrace.annotations.*;
@BTrace public class Trace{
@OnMethod(

clazz="java.lang.Thread",method="start"

)
public static void traceExecute(){

jstack();

}
}`

执行命令：./btrace javapid ThreadStart.java > thread.log
查看thread.log，到这里可以确定问题所在了，基本上所有的线程都在这个类里创建：com.taobao.et.web.ie.module.action.IeOrderCheckAction.doMileageMeta

5. 查看源代码

从代码里可以看到，每次执行doMileageMeta都会创建一个线程池，但是没有shutdown释放资源。

问题原因就清楚了:应用启动后，每次请求都会创建一个包含3个线程的线程池，但是从不释放资源，涨到8000多个以后，达到线程上限，抛出了"unable to create new native thread"。

6. 解决

修改代码：每次创建线程池后，调用shutdown方法来释放资源，具体代码就不帖出来了。

案例分析三：OOM：java heap space

处理原则

java.lang.OutOfMemoryError: java heap size也是常见的现象。最重要的是dump出内存，一种方法是通过在启动参数上增加-XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError，另一种方法是在当出现OOM时，通过jmap -dump获取到内存dump，在获取到内存dump文件后，可通过MAT进行分析，但通常来说仅仅靠MAT可能还不能直接定位到具体应用代码中哪个部分造成的问题，例如MAT有可能看到是某个线程创建了很大的ArrayList，但这样是不足以解决问题的，所以通常还需要借助btrace来定位到具体的代码。

案例分析四：Java进程退出

处理原则

对于Java进程退出，最重要的是要让系统自动生成coredump文件，需要设置ulimit -c unlimited，表示core文件为不限制大小，通常会加到java应用的启动脚本里。当进程crash发生时，找到coredump文件，core文件通常位于 /应用部署目录/target (core文件一般在程序工作区产生)下。有可能的原因是代码中出现了无限递归或死循环，可通过jstack来提取出Java的线程堆栈，从而具体定位到具体的代码。
如果以上方法无效时，可以尝试dmesg命令，看看系统出了什么问题，有可能是系统主动杀掉了Java进程（例如内存超出限制）

分析过程

1.生成coredump文件

在将出现crash的服务器上打开ulimit,等待生成core文件，执行命令：ulimit -c unlimited 。

2.分析coredump文件

执行命令：gdb -c $JAVA_HOME/bin/java coredump_file
键入：info threads ----- 获取core文件中线程信息
其中*号前代表是crash时，当前正在运行的线程
即当前正在运行的线程为 9406

3.使用jstack命令分析core文件，获取指定线程id对应的代码信息

具体命令：jstack $JAVA_HOME/bin/java coredump_file > jstack.log，搜索刚才得到的线程编号 9406，发现问题如下：

原因就是代码里出现了无限递归，导致了爆栈。

案例分析五：CPU占用过高

处理原则

从经验上来说，有些时候是由于频繁cms gc或fgc造成的，在gc log是记录的情况下（-Xloggc:），可通过gc log看看，如果没打开gc log，可通过jstat -gcutil来查看，如是gc频繁造成的，则可跳到后面的内存问题 | GC频繁部分看排查方法。

如不是上面的原因，可使用top -H查看线程的cpu消耗状况，这里有可能会看到有个别线程是cpu消耗的主体，这种情况通常会比较好解决，可根据top看到的线程id进行十六进制的转换，用转换出来的值和jstack出来的java线程堆栈的nid=0x[十六进制的线程id]进行关联，即可看到此线程到底在做什么动作，这个时候需要进一步的去排查到底是什么原因造成的，例如有可能是正则计算，有可能是很深的递归或循环，也有可能是错误的在并发场景使用HashMap等。

分析过程

这里分享下如何查看具体导致CPU高的线程名称
1.找到最耗CPU资源的java线程TID
执行命令：ps H -eo user,pid,ppid,tid,time,%cpu,cmd | grep java | sort -k6 -nr |head -1
2.将找到的线程TID进行十六进制的转换
printf "%xn" tid
3.从堆栈文件里找到对应的线程名称
通过命令导出堆栈文件：jstack javapid > jstack.log，根据上一步得到的线程TID，搜索堆栈文件，即可看到此线程到底在做什么动作。