性能是任何一款软件都需要关注的重要指标。除了软件的基本功
能，性能可以说是评价软件优劣的最重要的指标之一。我们该如何有
效地监控和诊断性能问题呢?本章基于实践，着重介绍一些针对系统
和Java虚拟机的监控和诊断工具，以帮助读者在实际开发过程中改善
系统性能。
本章涉及的主要知识点有：
· Linux下的性能监控工具。
· Windows下的性能监控工具。
· JDK自带的命令行工具。
· JConsole、Visual VM和Mission Control的介绍。

Linux下的性能监控工具

top命令----显示系统整体资源使用情况

top命令是Linux常用的性能分析工具，能够实时显示系统中各个进程的资源占用状况。top命令的部分输出如下：

top命令的输出可以分为两个部分：前半部分是统计信息，后半部分是进程信息。

在统计信息中，
第1行是任务队列信息，它的结果等同于uptime命令。从左到右依次表示系统当前时间、系统运行时间、当前登录用户数。最后的load average表示系统的平均负载，即任务队列的平均长度，其中的3个值分别表示1分钟、5分钟、15分钟到现在的平均值。
第2行是进程统计信息，分别是正在运行的进程数、睡眠进程数、停止的进程数、僵尸进程数。
等3行是CPU统计信息，us表示用户空间CPU占用率、sy表示内核空间CPU占用率、ni表示用户进程空间改变过优先级的进程CPU的占用率、id表示空闲CPU占用率、wa表示等待输入和输出的CPU时间百分比、hi表示硬件中断请求、si表示软件中断请求。
在Mem中，从左到右，依次表示物理内存总量、已使用的物理内存、空闲物理内
存、内核缓冲使用量。
在Swap中，依次表示交换区总量、空闲交换区大小、缓冲交换区大小。

top命令的第2部分是进程信息，显示了系统内各个进程的资源使
用情况，主要字段的含义如下。
· PID：进程ID。
· USER：进程所有者的用户名。
· PR：优先级。
· NI：nice值，负值表示高优先级，正值表示低优先级。
·%CPU：上次更新到现在的CPU时间占用百分比。
· TIME+：进程使用的CPU时间总计，单位为1/100秒。
·%MEM：进程使用的物理内存百分比。
·
VIRT：进程使用的虚拟内存总量，单位为KB，VIRT=SWAP
+RES。
·
RES：进程使用的、未被换出的物理内存大小，单位为KB，
RES=CODE+DATA。
· SHR：共享内存大小，单位为KB。
· COMMAND：命令名/命令行。

注意： 使用top命令可以从宏观上观察系统中各个进程的CPU占
用情况，以及内存使用情况。

vmstat命令-----监控内存和CPU

vmstat命令也是一个功能比较齐全的性能监测工具。它可以统计CPU、内存使用情况、Swap使用情况等信息。和sar工具类似，vmstat也可以指定采样周期和采样次数。

示例6-1】下例每秒采样一次，共计3次。

输出结果中各列含义如表6.1所示。

表6.1 vmstat命令输出结果中各列含义

以下代码显示了一个线程切换频繁的Java程序。


使用vmstat工具监控上述Java程序执行时的情况

可以看到，加粗部分有着很高的cs值（上下文切换）和us值（用户CPU时间），表明系统的上下文切换频繁，用户CPU占用率很高。注意： vmstat工具可以查看内存、交互分区、I/O操作、上下文切换、时钟中断及CPU的使用情况。

iostat命令—监控I/O

iostat命令可以提供详细的I/O信息，它的基本使用方法如下

以上命令显示了CPU的使用概况和磁盘I/O的信息。输出信息每1秒采样1次，合计采样两次。如果只需要显示磁盘情况，不需要显示CPU使用情况，则可以使用命令：

-d表示输出磁盘使用情况。输出结果中各列的含义如下。
· tps：该设备每秒的传输次数。
· kB_read/s：每秒从设备读取的数据量。
· kB_wrtn/s：每秒向设备写入的数据量。
· kB_read：读取的总数据量。
· kB_wrtn：写入的总数据量。
如果需要得到更多的统计信息，可以使用-x选项，如：

注意：
磁盘I/O很容易成为系统性能瓶颈，通过iostat命令可以快速定位系统是否产生了大量的I/O操作。

pidstat工具----多功能诊断器

pidstat是一个功能强大的性能监测工具，也是Sysstat的组件之一。读者可以在http://www.icewalkers.com/Linux/Software/59040/Sysstat.html下载这个工具。下载后，通过./configure、make、make install等3个命令即可安装pidstat工具。如
果是Ubuntu系统，也可以简单地通过以下命令安装：

pidstat工具的强大之处在于，它不仅可以监视进程的性能情况，也可以监视线程的性能情况。本节将详细介绍pidstat在这方面的功能。

1.CPU使用率监控

【示例6-3】下例是一个简单地占用CPU的程序，它开启了4个用户线程，其中，1个线程大量占用CPU资源，其他3个线程则处于空闲状态。

运行以上程序，要监控该程序的CPU使用率，可以先使用jps命令找到Java程序的PID，然后使用pidstat命令输出程序的CPU使用情况。

pidstat的参数-p用于指定进程ID，-u表示对CPU使用率的监控。参数1 3表示每秒采样一次，合计采样3次。从这个输出中可以看到，该应用程序CPU占用率几乎达100%。pidstat的功能不仅仅限于观察进程信息，还可以进一步监控线程的信息。使用以下命令：

这个命令的部分输出如下

-t参数将系统性能的监控细化到线程级别。从这个输出中可以知道，该Java应用程序之所以有如此高的CPU占用率，是因为线程1204的缘故。

注意： 使用pidstat工具不仅可以定位到进程，甚至可以进一步定位到线程。 使用以下命令可以导出指定Java应用程序的所有线程：
在输出的t.txt文件中，可以找到这么一段输出内容：

从加粗的部分可以看到，这个线程正是HoldCPUTask类，它的nid（native ID）为0x4b4，转为10进制后，正好是1204。通过这个方法，开发人员可以很容易地捕获在Java应用程序中大量占用CPU的线程。

2.I/O使用情况监控

磁盘I/O也是常见的性能瓶颈之一，使用pidstat工具也可以监控进程内线程的I/O情况。
【示例6-4】下例开启了4个线程，其中线程HoldIOTask产生了大量的I/O操作。

在程序运行过程中，使用以下命令监控程序I/O使用情况。其中22796是通过jps命令查询得到的进程ID，-d参数表明监控对象为磁盘I/O。1 3表示每秒采样一次，合计采样3次。

从输出结果中可以看到，进程中的22813（0x591D）线程产生I/O操作。通过前文中提到的jstatck命令，可以导出当前线程堆栈，查找nid为22813（0x591D）的线程，即可定位到HoldIOTask线程。
注意： 使用pidstat可以查看进程和线程的I/O信息。

3.内存监控

使用pidstat工具，还可以监控指定进程的内存使用情况。
【示例6-5】下例使用pidstat工具对进程ID为27233的进程进行
内存监控。每秒刷新一次，共进行5次统计。


输出结果中各列含义如下。
· minflt/s：表示该进程每秒minor faults （不需要从磁盘中调出
内存页）的总数。
· majflt/s：表示该进程每秒major faults（需要从磁盘中调出内
存页）的总数。
· VSZ：表示该进程使用的虚拟内存大小，单位为KB。
· RSS：表示该进程占用的物理内存大小，单位为KB。
·%MEM：表示占用内存比例。
注意：
pidstat工具是一款多合一的优秀工具。它不仅可以监控
CPU、I/O和内存资源，甚至可以将问题定位到相关线程，方便对应
用程序进行故障排查。

JDK性能监控工具

图6.16 JDK内置工具

jps命令 ----查看Java进程

jps命令类似于Linux下的ps命令，但它只用于列出Java的进程。直接运行jps命令不加任何参数，可以列出Java程序进程ID及Main函数名称，如下所示：

从这个输出中可以看到，当前系统中共存在3个Java应用程序，其中第一个输出Jps就是jps命令本身，这更加证明此命令的本质也是一个Java程序。此外，jps命令还提供了一系列参数来控制它的输出内容。
参数-q可以指定jps只输出进程ID，而不输出类的名称：

参数-m可以用于输出传递给Java进程（主函数）的参数：

参数-l可以用于输出主函数的完整路径：

参数-l可以用于输出主函数的完整路径：

参数-v可以显示传递给Java虚拟机的参数：

注意： jps命令类似于ps命令，但是它只列出系统中所有的Java应用程序。通过jps命令可以方便地查看Java进程的启动类、传入参数和Java虚拟机参数等信息。

jstat命令----查看虚拟机运行时信息

jstat命令是一个可以用于观察Java应用程序运行时相关信息的工具。它的功能非常强大，可以通过它查看堆信息的详细情况。它的基本使用语法为：

· option可以由以下值构成。
○-class：显示ClassLoader的相关信息。
○-compiler：显示JIT编译的相关信息。
○-gc：显示与GC相关的堆信息。
○-gccapacity：显示各个代的容量及使用情况。
○-gccause：显示垃圾回收相关信息（同-gcutil），同时显示最后一次或当前正在发生的垃圾回收的诱发原因。
○-gcnew：显示新生代信息。
○-gcnewcapacity：显示新生代大小与使用情况。
○-gcold：显示老年代和永久代的信息。
○-gcoldcapacity：显示老年代的大小。
○-gcpermcapacity：显示永久代的大小。
○-gcutil：显示垃圾回收信息。
○-printcompilation：输出JIT编译的方法信息。
·-t参数可以在输出信息前加上一个Timestamp列，显示程序的运行时间。
·-h参数可以指定在周期性数据输出时，输出多少行数据后输出一个表头信息。
· interval参数用于指定输出统计数据的周期，单位为毫秒。
· count参数用于指定一共输出多少次数据。如下示例输出Java进程2972的ClassLoader相关信息。每秒统计一次信息，一共输出两次。

在-class的输出中，Loaded表示载入类的数量，Bytes表示载入类的合计大小，Unloaded表示卸载类的数量，第2个Bytes表示卸载类的大小，Time表示在加载和卸载类上所花的时间。下例显示了查看JIT编译的信息：

Compiled表示编译任务执行的次数，Failed表示编译失败的次数，Invalid表示编译不可用的次数，Time表示编译的总耗时，FailedType表示最后一次编译失败的类型，FailedMethod表示最后一次编译失败的类名和方法名。
下例显示了与GC相关的堆信息的输出：

· S0C：s0（from区）的大小（KB）。
· S1C：s1（from区）的大小（KB）。
· S0U：s0（from区）已使用的空间（KB）。
· S1U：s1（from区）已使用的空间（KB）。
· EC：eden区的大小（KB）。
· EU：eden区的使用空间（KB）。
· OC：老年代大小（KB）。
· OU：老年代已经使用的空间（KB）。
· PC：永久区大小（KB）。
· PU：永久区的使用空间（KB）。
· YGC：新生代GC次数。
· YGCT：新生代GC耗时。
· FGC：Full GC次数。
· FGCT：Full GC耗时。
· GCT：GC总耗时。

下例显示了各个代的信息，与-gc相比，它不仅输出了各个代的当前大小，也包含了各个代的最大值和最小值。

· NGCMN：新生代最小值（KB）。
· NGCMX：新生代最大值（KB）。
· NGC：当前新生代大小（KB）。
· OGCMN：老年代最小值（KB）。
· OGCMX：老年代最大值（KB）。
· PGCMN：永久代最小值（KB）。
· PGCMX：永久代最大值（KB）。
下例显示了最近一次GC的原因，以及当前GC的原因：

· LGCC：上次GC的原因。
· GCC：当前GC的原因。
本例显示，最近一次GC是由于显式的System.gc（）调用所引起的，当前时刻未进行GC。
-gcnew参数可以用于查看新生代的一些详细信息：

· TT：新生代对象晋升到老年代对象的年龄。
· MTT：新生代对象晋升到老年代对象的年龄最大值。
· DSS：所需的survivor区大小。
-gcnewcapacity参数可以详细输出新生代各个区的大小信息：

· S0CMX：s0区的最大值（KB）。
· S1CMX：s1区的最大值（KB）。
· ECMX：eden区的最大值（KB）。
-gcold用于展现老年代GC的概况：

-gcoldcapacity用于展现老年代的容量信息：

-gcpermcapacity用于展示永久区的使用情况：

-gcutil用于展示GC回收相关信息：

· S0：s0区使用的百分比。
· S1：s1区使用的百分比。
· E：eden区使用的百分比。
· O：老年代使用的百分比。
· P：永久区使用的百分比。

注意： jstat命令可以非常详细地查看Java应用程序的堆使用情况及GC情况。

jinfo命令----查看虚拟机参数

jinfo命令可以用来查看正在运行的Java应用程序的扩展参数，甚至支持在运行时修改部分参数。它的基本语法为：

其中option可以为以下信息。
·-flag：打印指定Java虚拟机的参数值。
·-flag [+|-]：设置指定Java虚拟机参数的布尔值。
·-flag=：设置指定Java虚拟机参数的值。
在很多情况下，Java应用程序不会指定所有的Java虚拟机参数。而此时，开发人员可能不知道某一个具体的Java虚拟机参数的默认值。在这种情况下，可能需要通过查找文档获取某个参数的默认值。这个查找过程可能是非常艰难的。但有了jinfo命令，开发人员可以很方便地找到Java虚拟机参数的当前值。下例显示了新生代对象晋升到老年代对象的最大年龄。在应用程序启动时，并没有指定这个参数，但通过jinfo命令可以查看这个参数的当前数值。

显示是否打印GC详细信息：

除了查找参数的值，jinfo命令也支持修改部分参数的数值，当然，这个修改能力是极其有限的。下例显示了通过jinfo命令对PrintGCDetails参数的修改，它可以在Java程序运行时，动态关闭或者打开这个开关。

注意：
使用jinfo命令不仅可以查看运行时某一个Java虚拟机参数的实际取值，甚至可以在运行时修改部分参数，并使之立即生效（并非所有参数都支持动态修改）。

jmap命令----导出堆到文件

jmap命令是一个多功能的命令。它可以生成Java程序的堆Dump文件，也可以查看堆内对象实例的统计信息、查看ClassLoader的信息及finalizer队列。下例使用jmap命令生成PID为2972的Java程序的对象统计信息，并输出到s.txt文件中。

输出文件结构如下：

可以看到，这个输出显示了内存中的实例数量和合计。jmap命令另一个更为重要的功能是得到Java程序的当前堆快照：

jmap -dump:format=b,file=./dumplog/heap.hprof 3339

本例中，将应用程序的堆快照输出到C盘heap.bin文件中。之后，可以通过多种工具分析该堆文件。比如，下文中提到的jhat工具或者Visual VM、MAT等工具。

注意： jmap可用于导出Java应用程序的堆快照。
此外，jmap还可以查看系统的ClassLoader的信息，如下所示：

可以看到，系统中有3个ClassCloader，并显示了它们的父子关系。同时，也显示了每个ClassLoader内部加载的类的数量和总大小。

通过jmap命令，还可以观察系统finalizer队列中的对象，一个不恰当的finalize()函数可能导致对象堆积在finalizer队列中。使用以下命令可以查看堆积在finalizer队列中的对象：


可以看到，在finalizer队列中，堆积了大量的geym.zbase.ch5.LongFinalize$LF对象实例和3个java.io.FileInputStream实例。

jhat命令----JDK自带的堆分析工具

使用jhat命令可以分析Java应用程序的堆快照内容。

说明：
jhat命令在JDK9、JDK10中已经被删除，官方建议用VisualVm代替，参考6.5.5节。

【示例6-9】以前文中jmap命令的输出堆文件heap.hprof为例。

在分析完成后，使用HTTP服务器展示其分析结果。在浏览器中访问http://127.0.0.1:7000，输出结果如图6.18所示。在默认页中，jhat服务器显示了所有的非平台类信息。单击链接，可以查看选中类的超类、ClassLoader及该类的实例等信息。此外，在页面底部，还为开发人员提供了其他查询方式，如图6.19所示。

jstack命令----查看线程堆栈

jstack命令用于导出Java应用程序的线程堆栈，语法为：

-l选项用于打印锁的附加信息。jstack命令会在控制台输出程序中所有的锁信息，可以使用重定向将输出保存到文件中，如：

jstack -l 3339 >./dumplog/jstack.txt

示例6-10】下例演示了一个简单的死锁，两个线程分别占用south锁和north锁，并同时请求对方占用的锁，导致死锁发生。


使用jstack命令打印上例的输出，部分输出结果如下：

从输出中，可以很容易地找到死锁，并同时显示了发生死锁的两个线程，以及死锁线程的持有对象和等待对象，帮助开发人员解决死锁问题。

注意： 通过jstack命令不仅可以得到线程堆栈，还能自动进行死锁检查，输出找到的死锁信息。

jstatd命令----远程主机信息收集

在本节之前所述的工具中，只涉及监控本机的Java应用程序，而在这些工具中，一些监控工具也支持对远程计算机的监控（如jps、jstat）。为了启用远程监控，需要配合使用jstatd命令。

jstatd命令是一个RMI服务端程序，它的作用相当于代理服务器，建立本地计算机与远程监控工具的通信。jstatd服务器将本机的Java应用程序信息传递到远程计算机，如图6.23所示。

jcmd命令----多功能命令行

在JDK 1.7以后，新增了一个命令行工具jcmd。它是一个多功能的工具，可以用来导出堆、查看Java进程、导出线程信息、执行GC等。

jcmd命令可以针对给定的Java虚拟机执行一条命令。首先来看一下如何使用jcmd命令列出当前系统中的所有Java虚拟机

参数-l表示列出所有的Java虚拟机，针对每一个虚拟机，jcmd命令可以使用help命令列出它们所支持的命令：

这里罗列的就是进程号2828虚拟机所支持的jcmd命令操作，下面介绍几个常用的命令。

（1）查看虚拟机启动时间VM.uptime：

jcmd命令也支持直接使用MainClass的名字来代替进程号，这样在编写脚本的时候也更为容易，如下所示：

（2）打印线程栈信息：

（3）查看系统中类的统计信息：

（4）导出堆信息：

GC.heap_dump接收一个参数作为堆Dump文件的输出路径，得
到堆文件后，可以使用MAT或者Visual VM等工具进行分析。

（5）获得系统的Properties内容：

（6）获得启动参数：

（7）获得所有性能统计相关数据。

通过jcmd命令，还可以获得所有的PerfData数据，如下所示：

在这个输出中，可以找到所有的性能统计相关的数据，作为示例，这里给出了活动线程数量、活动线程峰值等信息。从以上示例中可以看到，jcmd拥有jmap的大部分功能，并且在Oracle的官方网站上也推荐使用jcmd命令代替jmap命令。

hprof----性能统计工具

与前文中介绍的监控工具不同，hprof不是独立的监控工具，它只是一个Java agent工具。它可以用于监控Java应用程序在运行时的CPU信息和堆信息。使用java-agentlib:hprof=help命令可以查看

说明： hprof在JDK9、JDK10中已经被删除，官方建议用 VisualVM代替，参考6.5.5节和6.5.6节。

下面是hropf工具帮助信息的输出，加粗部分是常用的参数。

图形化虚拟机监控工具

JConsole

Console是JDK自带的图形化性能监控工具。通过JConsole工具，可以查看Java应用程序的运行概况，可以监控堆信息、永久区使用情况、类加载情况等。本节主要介绍JConsole工具的基本使用方法。

Visual VM