深入探討 JVM 工具：動態附加和可服務性代理

一、簡介

Java 虛擬機器 (JVM) 可維護性工具（例如 Dynamic Attach 和 Serviceability Agent）對於管理複雜生產環境中的 Java 應用程式非常有用。雖然兩者都提供了對 JVM 行為的深入了解，但它們的工作方式不同且適合不同的場景。

在本教程中，我們將研究它們之間的主要差異和相似之處。我們將全面了解每種方法的工作原理及其優點和局限性。

我們還將查看一個用例，展示如何從每個用例中受益。在本文結束時，我們將能夠很好地選擇最適合我們需求的解決方案。我們將重點關注 JVM 的最新長期支援 (LTS) 版本之一 JDK 21，它具有分代 ZGC。

2. 動態連結：定義與特徵

動態附加是 JVM 的一項功能，允許工具和代理程式在執行時間附加到正在執行的 Java 進程。此功能不需要應用程式重新啟動或預先配置。

此機制使用 Attach API 連接到目標 JVM，從而實現 Java 代理的動態載入和診斷命令的執行。動態附加提供了一些我們將在以下小節中考慮的功能。

2.1.即時診斷和監控

透過Dynamic Attach，我們可以與JVM進程建立即時連線並即時監控其運作狀況。使用jcmd 、 JConsole或 VisualVM 等資源，我們可以深入研究與 JVM 相關的各種指標。其中包括記憶體消耗、垃圾收集行為模式、執行緒狀態和 CPU 使用率。

此功能可以在不中斷操作的情況下診斷效能問題或偵測瓶頸。此外，它還可以識別有問題的區域，例如消耗高 CPU 資源的執行緒或頻繁的 GC 暫停。

2.2.動態載入代理

Dynamic Attach 的優點在於它能夠將 Java 代理程式動態載入到正在執行的 JVM 進程中。這些代理可以在運行時檢測字節碼，從而允許它們監視或修改應用程式的行為。

JDK 21 中允許動態載入代理，儘管會出現來自 JVM 的警告。從 JDK 21 開始，未來的版本將預設為停用它。開發人員在啟動應用程式時必須使用指令XX:+EnableDynamicAgentLoading啟用此功能。

2.3.最小的效能開銷

Attach API 和jstack等工具使用 Dynamic Attach 與正在執行的應用程式互動。

它們支援收集線程轉儲、檢索垃圾收集日誌和附加監視代理等操作。這些工具旨在最大限度地減少效能開銷。

3. 動態連線的一些限制

具有許多互動的複雜應用程式可能會減慢診斷工具的速度或消耗大量資源。

此外，由於某些 JVM 變體對 Attach API 的支援有限，可能會出現相容性問題。

儘管收集線程轉儲和垃圾收集日誌等診斷資訊可能很有好處，但過度使用它們可能會損害應用程式效能。因此，需要仔細監控以防止系統被過多的資料淹沒。

最後，某些環境中嚴格的存取控制可能會限製附加到某些進程的權限。

4. 服務能力代理

Java 虛擬機提供了可服務性代理，它是一種用於徹底探索和評估內部資料結構的診斷工具。

4.1.存取內部 JVM 結構

Serviceability Agent 提供了一個強大的介面來檢查 JVM 內部結構。其中包括物件記憶體佈局、符號表、類別載入器、執行緒狀態、垃圾收集器資訊等等。

在處理僅透過高級 JVM 指標無法識別的複雜問題時，此類功能被證明非常有用。

4.2.事後偵錯

當 JVM 發生崩潰時，它通常會產生其狀態的全面快照，稱為核心轉儲。

可維護性代理可以附加到此核心轉儲並檢查其內容以確定崩潰的根本原因。因此，SA 對於對此類事件進行事後分析非常有價值。

4.3.堆轉儲和對象分析

透過 SA，使用者可以對堆轉儲進行深入分析，以深入了解 JVM 的堆及其包含的物件。

該工具可以檢查記憶體使用模式、物件和引用。

4.4.螺紋和鎖分析

Serviceability Agent 提供對執行緒狀態、鎖定和同步問題的詳細了解。它可以識別死鎖、阻塞或等待的線程，幫助診斷線程爭用或鎖定問題引起的效能問題。

管理員可以使用SA來偵測瓶頸並優化執行緒管理，確保應用程式效能更流暢。

5. 適用性代理的一些限制

該代理可能會導致效能下降，尤其是在收集大量診斷詳細資訊時。這可能會影響應用程式在高負載情況下的回應能力。

此外，在存取控制嚴格的環境中，代理可能會面臨限制。安全限制可能會阻礙它們附加到特定進程的能力。此限制可能會限制其在生產環境中的有用性。

6. 實際用例：診斷和解決記憶體洩漏

讓我們考慮這樣一個場景：記憶體洩漏導致大型 Java 應用程式的生產效能逐漸下降。我們將了解如何應用動態連線和可服務性代理程式。

6.1.使用動態連線進行初步調查

我們採用三部分策略，使用 Dynamic Attach 進行初步診斷。

第一步涉及透過jcmd命令產生堆轉儲。接下來是透過 JConsole 監視記憶體和垃圾收集。

最後，透過 VisualVM 執行分析代理部署。這些步驟可提供對應用程式效能指標和記憶體分配資料的全面且無幹擾的見解。如有必要，該資訊可用於進一步分析。

6.2.使用可維護性代理進行詳細分析

在詳細分析階段，我們使用Serviceability Agent來更深入研究記憶體問題。這個過程涉及三個步驟：轉儲分析、崩潰調查和自訂工具開發。

首先，我們分析先前產生的堆轉儲，以識別潛在的洩漏源和物件保留模式。

其次，如果發生記憶體不足崩潰，則會分析核心轉儲以深入了解 JVM 的最終狀態。

最後，我們開發了一個客製化的可服務性代理工具。該工具遍歷堆並識別導致記憶體洩漏的特定物件類型或模式。

該方法提供了對 JVM 內部複雜問題的詳細見解。

6.3.解析與驗證

在識別並解決記憶體洩漏的根源後，我們實施結構化策略來防止將來再次發生。這包括代理部署、使用 JMX 公開與先前洩漏的資源相關的自訂指標以及持續監控。

透過這種策略，我們可以觀察潛在的復發或新的與記憶相關的問題。

七、總結

為了說明動態連線和可服務性代理之間的差異，讓我們檢查一個比較表：

特徵	動態附加	服務能力代理
即時監控	是的	不
動態代理載入	是的	不
效能開銷	旨在最大限度地減少性能影響	收集大量數據時效能下降。
經營範圍	專注於即時應用程式和持續監控	包括即時和事後分析
使用案例	監控、分析、即時診斷	深入分析、故障排除、事後調試
資料可訪問性	僅限於即時數據收集和分析	全面的 JVM 內部架構

此表顯示動態連接和可維護性代理如何相互補充。前者非常適合即時監控，而後者則擅長 JVM 分析，尤其是在事後分析場景中。

八、結論

在本文中，我們深入研究了 Dynamic Attach 和 Serviceability Agent 在監視和解決 JVM 中的問題方面的功能。

Serviceability Agent 提供 JVM 內部結構的深入檢查，以進行徹底分析和事後偵錯。另一方面，動態連線在即時診斷和低影響監控方面表現良好。

儘管有局限性，但這兩種工具都可以增強 JVM 的性能和可靠性。