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JVM——Java 虚拟机的监控及诊断工具（GUI 篇）

news 来源：原创 2025/5/24 8:42:27

引入

在之前的命令行篇中，我们详细了解了 JDK 自带的命令行监控及诊断工具，如 jps、jstat、jmap、jinfo、jstack 和 jcmd 等。这些工具在命令行环境下为我们提供了丰富的 JVM 信息获取和分析能力。然而，在某些场景下，尤其是需要更直观、更全面的可视化分析时，GUI 工具的优势便凸显出来了。

Java 虚拟机的 GUI 监控及诊断工具，如 eclipse MAT 和 Java Mission Control（JMC），为我们提供了图形化的界面，使得复杂的 JVM 数据分析变得更加直观和便捷。这些工具不仅能够帮助我们快速定位问题，还能够深入分析 JVM 的内部状态，为性能优化和故障排查提供有力支持。

eclipse MAT：强大的堆内存分析工具

概述

eclipse MAT（Memory Analyzer Tool）是一个功能强大的 Eclipse 插件，用于分析 Java 堆内存快照。它可以解析由 jmap 工具导出的二进制堆快照文件，帮助开发人员深入了解 Java 应用程序的内存使用情况，定位内存泄漏等问题。

获取堆快照

MAT 本身具备获取堆快照的功能。它利用 jps 命令列出当前正在运行的 Java 进程，供用户选择以获取快照。需要注意的是，jps 会将自身进程列入列表，因此可能会看到一个已经结束运行的 jps 进程。MAT 获取堆快照的方式主要有三种：使用 Attach API、新建一个 Java 虚拟机来运行 Attach API、使用 jmap 工具。这三种方式本质上都基于 Attach API。但如果目标进程启用了 DisableAttachMechanism 参数，前两种方式将不在选取列表中显示，后一种方式则会在运行时出错。

主界面与关键视图

当加载完堆快照之后，MAT 的主界面会展示一张基于 Retained heap 的饼状图，列举占据 Retained heap 最多的几个对象。MAT 计算对象占据内存的两种方式如下：

Shallow heap ：指对象自身所占据的内存。
Retained heap ：指当对象不再被引用时，垃圾回收器所能回收的总内存，包括对象自身所占据的内存，以及仅能够通过该对象引用到的其他对象所占据的内存。

MAT 包含两个重要的视图：

直方图（histogram） ：与 jmap 的 -histo 子命令类似，能够展示各个类的实例数目以及这些实例的 Shallow heap 总和。但 MAT 的直方图还能计算 Retained heap，并支持基于实例数目或 Retained heap 的排序方式（默认为 Shallow heap）。此外，MAT 还可以将直方图中的类按照超类、类加载器或者包名分组。
支配树（dominator tree） ：支配树的概念源自图论。在对象图中，如果从入口节点到 b 节点的所有路径都要经过 a 节点，那么 a 支配 b 。MAT 将按照每个对象 Retained heap 的大小排列该支配树，帮助开发人员识别内存占用的关键对象。

对象引用路径分析

当选中某个类时，MAT 界面左上角的 Inspector 窗口将展示该类的 Class 实例的相关信息，如类加载器等。此外，MAT 还提供 Path To GC Roots 功能，可以反向列出该对象到 GC Roots 的引用路径，这对于分析对象的内存保留原因非常有用。

内存泄漏检测

MAT 能够自动匹配内存泄漏中的常见模式，并汇报潜在的内存泄漏问题。例如，它可以通过分析对象的引用关系和生命周期，识别出那些不再被使用的但仍然占用大量内存的对象，从而帮助开发人员及时发现和修复内存泄漏问题。

实际案例分析

假设我们有一个 Java 应用程序出现了内存泄漏问题，表现为老年代内存使用持续增长。我们可以使用 jmap 导出堆快照，然后用 MAT 打开分析。在 MAT 的支配树视图中，我们可能会发现某个对象的 Retained heap 非常大，并且其引用路径表明它被某个静态集合或缓存持有。通过进一步分析该对象及其引用关系，我们可以定位到导致内存泄漏的代码位置，如某个未正确清理的集合或缓存。

Java Mission Control：全面的性能监控与分析平台

概述

Java Mission Control（JMC）是一个功能强大的性能监控和分析平台，适用于 Java 虚拟机。它包含一个 GUI 客户端，以及众多用来收集 Java 虚拟机性能数据的插件，如 JMX Console 和 Java Flight Recorder（JFR）。JMC 提供了丰富的可视化界面，帮助开发人员监控和分析 Java 应用程序的性能指标、垃圾回收活动、线程状态等关键数据。

Java Flight Recorder（JFR）

JFR 是 JMC 的核心组件之一，用于记录 Java 虚拟机运行过程中的各种事件。与传统的性能分析工具相比，JFR 具有以下优势：

低性能开销 ：在默认配置下，JFR 的性能开销平均低于 1%，非常适合在生产环境下满负荷运行的 Java 程序。
直接访问虚拟机数据 ：JFR 能够直接访问虚拟机内的数据，且不会影响虚拟机的优化，从而提供更准确和实时的性能数据。

JFR 记录的事件类型丰富多样，包括：

Java 层面的事件 ：如线程事件、锁事件等。
Java 虚拟机内部的事件 ：如新建对象、垃圾回收和即时编译事件。

按照发生时机以及持续时间，JFR 的事件分为以下四种类型：

瞬时事件（Instant Event） ：用户关心的是它们是否发生，例如异常、线程启动事件等。
持续事件（Duration Event） ：用户关心的是它们的持续时间，例如垃圾回收事件等。
计时事件（Timed Event） ：时长超出指定阈值的持续事件。
取样事件（Sample Event） ：周期性取样的事件，如方法抽样。JFR 的取样事件比其他工具更加精确，因为它不依赖于安全点机制，从而避免了因安全点导致的分析偏差。

JFR 的启用方式

JFR 的启用方式主要有以下三种：

1.命令行参数

在运行目标 Java 程序时添加-XX:StartFlightRecording=参数。例如，以下命令将使 JFR 在 Java 虚拟机启动 5 秒后开始收集数据，持续 20 秒，并将收集到的数据保存至指定文件中：

$ java -XX:StartFlightRecording=delay=5s,duration=20s,filename=myrecording.jfr

还可以对收集的数据进行限制，例如设置最大保留时间和文件大小：

$ java -XX:StartFlightRecording=maxage=10m,maxsize=100m,filename=myrecording.jfr

这里，maxage=10m 表示仅保留 10 分钟以内的事件，maxsize=100m 表示仅保留 100MB 以内的事件。settings=profile 指定了 JFR 所收集的事件类型，该配置文件包含的事件类型多于默认的 default.jfc，但性能开销也稍大（约为 2%）。

2.jcmd 命令

通过 jcmd 命令的 JFR.* 子命令来控制 JFR 的启动、停止和数据导出。例如：

$ jcmd <PID> JFR.start settings=profile maxage=10m maxsize=150m name=SomeLabel
$ jcmd <PID> JFR.dump name=SomeLabel filename=myrecording.jfr
$ jcmd <PID> JFR.stop name=SomeLabel

3.JMC 的 JFR 插件

在 JMC GUI 客户端左侧的 JVM 浏览器中，右键点击目标 Java 程序，选择 Start Flight Recording...，然后在弹出的窗口中配置 JFR 的启动参数，包括标签名、收集数据的持续时间、缓存事件的时间及空间限制，以及监控事件的类型等。

JMC 的界面与功能

当收集完成 JFR 数据后，JMC 会自动打开所生成的 jfr 文件，并在主界面中列举目标进程在收集数据期间的潜在问题。例如，它可能会指出 CPU 资源未被充分利用的问题。

JMC 提供了多个选项卡，分别对应 Java 虚拟机的不同子系统。例如：

垃圾回收子系统选项卡 ：展示 JFR 收集到的 GC 事件，以及基于这些事件生成的堆已用空间分布图、Metaspace 大小分布图、最长暂停和总暂停的直方分布图等。
即时编译子系统选项卡 ：展示方法编译时间的直方图和按编译时间排序的编译任务表。这里可能会出现同方法名同方法描述符的编译任务，原因包括不同编译层次的即时编译（如 C1 编译和 C2 编译）以及去优化后的重新编译。

MBean Server 功能探索

JMC 中的 MBean Server 功能允许用户访问和管理 Java 虚拟机的管理 Bean（MBean）。通过 MBean，用户可以获取 JVM 的详细信息、配置参数以及执行管理操作。例如，可以监控和管理线程、内存、类加载等关键组件。感兴趣的读者可以参考 JMC 的帮助文档（Help->Java Mission Control Help）以及相关教程来深入了解该功能的具体含义和使用方法。

实际案例分析

假设我们在生产环境中遇到一个 Java 应用程序性能下降的问题，表现为响应时间变长和 CPU 使用率过高。我们可以使用 JMC 配合 JFR 来进行性能分析。首先，通过 JMC 的 JFR 插件启动数据收集，设置适当的收集时间和事件类型。收集完成后，打开生成的 jfr 文件，查看 JMC 主界面中列出的潜在问题。例如，我们可能发现垃圾回收子系统选项卡中的 GC 暂停时间过长，或者即时编译子系统选项卡中某些方法的编译时间过高。结合这些信息，我们可以进一步分析代码和配置，找出导致性能问题的具体原因，如不合理的内存配置、低效的算法或代码热点等，并采取相应的优化措施。

其他 GUI 工具简介

VisualVM

VisualVM 是一个功能丰富的 Java 性能分析工具，集成了多个 JDK 工具的功能，如 jstat、jps、jmap、jstack 等。它提供了图形化的界面，用于监控 Java 应用程序的性能、分析线程、查看内存使用情况和垃圾回收活动等。VisualVM 还支持插件扩展，可以通过安装插件来增强其功能，如添加专业的内存分析工具、代码剖析工具等。

JITWatch

JITWatch 是一个用于分析 Java 虚拟机即时编译（JIT）行为的工具。它可以帮助开发人员了解 JIT 编译器如何优化代码，识别编译热点方法，分析编译失败的原因等。通过 JITWatch，开发人员可以更深入地理解 JVM 的即时编译过程，从而优化代码性能和调整 JVM 参数。

总结

本文详细介绍了 Java 虚拟机的 GUI 监控及诊断工具，重点探讨了 eclipse MAT 和 Java Mission Control（JMC）及其核心组件 Java Flight Recorder（JFR）。

eclipse MAT ：可用于分析由 jmap 命令导出的 Java 堆快照。它提供了直方图和支配树等重要视图，帮助开发人员直观地了解堆内存中对象的分布和引用关系，快速定位内存泄漏等内存相关问题。
Java Mission Control（JMC）与 Java Flight Recorder（JFR） ：JMC 是一个全面的性能监控和分析平台，JFR 作为其核心组件，能够以极低的性能开销收集 Java 虚拟机的性能数据。通过 JMC 的图形化界面，用户可以深入分析 JVM 的各个子系统，包括垃圾回收、即时编译、线程活动等，及时发现和解决性能瓶颈和潜在问题。

这些 GUI 工具为 Java 开发者提供了直观、高效的 JVM 监控和诊断手段，有力地补充了命令行工具的功能，使我们能够更全面、深入地了解 Java 应用程序的运行状态，从而更有效地进行性能优化和故障排查。

掌握这些 GUI 监控及诊断工具对于我们来说至关重要。它们不仅能够帮助我们快速定位和解决性能问题，还能提升我们的技术视野和专业素养，为构建高性能、高可靠的 Java 应用程序保驾护航。