Java命令学习系列（二）— Jstack

性能测试 Java
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发布日期:   2024-06-30
文章字数:   4k
阅读时长:   16 分

Java命令学习系列（二）— Jstack

jstack 是 java 虚拟机自带的一种堆栈跟踪工具

功能

jstack 用于生成 java 虚拟机当前时刻的线程快照。线程快照是当前 java 虚拟机内每一条线程正在执行的方法堆栈的集合，生成线程快照的主要目的是定位线程出现长时间停顿的原因，如线程间死锁、死循环、请求外部资源导致的长时间等待等。 线程出现停顿的时候通过 jstack 来查看各个线程的调用堆栈，就可以知道没有响应的线程到底在后台做什么事情，或者等待什么资源。 如果 java 程序崩溃生成 core 文件，jstack 工具可以用来获得 core 文件的 java stac k和 native stack 的信息，从而可以轻松地知道 java 程序是如何崩溃和在程序何处发生问题。另外，jstack 工具还可以附属到正在运行的 java 程序中，看到当时运行的 java 程序的 java stack 和 native stack 的信息, 如果现在运行的 java 程序呈现 hung 的状态，jstack 是非常有用的。

So，jstack命令主要用来查看Java线程的调用堆栈的，可以用来分析线程问题（如死锁）。

线程状态

想要通过 jstack 命令来分析线程的情况的话，首先要知道线程都有哪些状态，下面这些状态是我们使用 jstack 命令查看线程堆栈信息时可能会看到的线程的几种状态：

  1. NEW，未启动的。不会出现在 Dump 中。
  2. RUNNABLE，在虚拟机内执行的。
  3. BLOCKED，受阻塞并等待监视器锁。
  4. WATING，无限期等待另一个线程执行特定操作。
  5. TIMED_WATING，有时限的等待另一个线程的特定操作。
  6. TERMINATED，已退出的。

Monitor

在多线程的 JAVA 程序中，实现线程之间的同步，就要说说 Monitor。Monitor 是 Java 中用来实现线程之间的互斥与协作的主要手段，它可以看成是对象或者 class 的锁。每一个对象都有，也仅有一个 monitor。下图，描述了线程和 Monitor 之间的关系，以及线程的状态转换图：

monitor

进入区（Entrt Set）：表示线程通过 synchronized 要求获取对象的锁。如果对象未被锁住，则进入拥有者；否则则在进入区等待。一旦对象锁被其他线程释放,立即参与竞争。

拥有者（The Owner）：表示某一线程成功竞争到对象锁。

等待区（Wait Set）：表示线程通过对象的 wait 方法，释放对象的锁，并在等待区等待被唤醒。

从图中可以看出，一个 Monitor 在某个时刻，只能被一个线程拥有，该线程就是 “Active Thread”，而其它线程都是 “Waiting Thread”，分别在两个队列 “Entry Set” 和 “Wait Set” 里面等候。在 “Entry Set” 中等待的线程状态是 “Waiting for monitor entry”，而在 “Wait Set” 中等待的线程状态是 “in Object.wait()”。 先看 “Entry Set” 里面的线程。我们称被 synchronized 保护起来的代码段为临界区。当一个线程申请进入临界区时，它就进入了 “Entry Set” 队列。对应的 code 就像：

synchronized(obj) {
    .........
}

调用修饰

表示线程在方法调用时，额外的重要的操作。线程 Dump 分析的重要信息。修饰上方的方法调用。

locked <地址> 目标：使用 synchronized 申请对象锁成功，监视器的拥有者。
waiting to lock <地址> 目标：使用 synchronized 申请对象锁未成功，在迚入区等待。
waiting on <地址> 目标：使用 synchronized 申请对象锁成功后，释放锁幵在等待区等待。
parking to wait for <地址> 目标

locked

at oracle.jdbc.driver.PhysicalConnection.prepareStatement
- locked <0x00002aab63bf7f58> (a oracle.jdbc.driver.T4CConnection)
at oracle.jdbc.driver.PhysicalConnection.prepareStatement
- locked <0x00002aab63bf7f58> (a oracle.jdbc.driver.T4CConnection)
at com.jiuqi.dna.core.internal.db.datasource.PooledConnection.prepareStatement

通过 synchronized 关键字，成功获取到了对象的锁,成为监视器的拥有者，在临界区内操作。对象锁是可以线程重入的。

waiting to lock

at com.jiuqi.dna.core.impl.CacheHolder.isVisibleIn(CacheHolder.java:165)
- waiting to lock <0x0000000097ba9aa8> (a CacheHolder)
at com.jiuqi.dna.core.impl.CacheGroup$Index.findHolder
at com.jiuqi.dna.core.impl.ContextImpl.find
at com.jiuqi.dna.bap.basedata.common.util.BaseDataCenter.findInfo

通过 synchronized 关键字，没有获取到了对象的锁，线程在监视器的进入区等待。在调用栈顶出现，线程状态为 Blocked。

waiting on

at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on <0x00000000da2defb0> (a WorkingThread)
at com.jiuqi.dna.core.impl.WorkingManager.getWorkToDo
- locked <0x00000000da2defb0> (a WorkingThread)
at com.jiuqi.dna.core.impl.WorkingThread.run

通过 synchronized 关键字，成功获取到了对象的锁后，调用了 wait 方法，进入对象的等待区等待。在调用栈顶出现，线程状态为 WAITING 或 TIMED_WATING 。

parking to wait for

park 是基本的线程阻塞原语，不通过监视器在对象上阻塞。随 concurrent 包会出现的新的机制，synchronized 体系不同。

线程动作

线程状态产生的原因：

runnable：状态一般为RUNNABLE。

in Object.wait()：等待区等待，状态为 WAITING 或 TIMED_WAITING。

waiting for monitor entry：进入区等待，状态为 BLOCKED。

waiting on condition：等待区等待、被 park。

sleeping：休眠的线程，调用了 Thread.sleep()。

Wait on condition 该状态出现在线程等待某个条件的发生。具体是什么原因，可以结合 stacktrace 来分析。

  • 最常见的情况就是线程处于 sleep 状态，等待被唤醒。
  • 常见的情况还有等待网络 IO：在 java 引入 nio 之前，对于每个网络连接，都有一个对应的线程来处理网络的读写操作，即使没有可读写的数据，线程仍然阻塞在读写操作上，这样有可能造成资源浪费，而且给操作系统的线程调度也带来压力。在 NewIO 里采用了新的机制，编写的服务器程序的性能和可扩展性都得到提高。正等待网络读写，这可能是一个网络瓶颈的征兆。因为网络阻塞导致线程无法执行。
    • 一种情况是网络非常忙，几乎消耗了所有的带宽，仍然有大量数据等待网络读写；
    • 另一种情况也可能是网络空闲，但由于路由等问题，导致包无法正常的到达。

所以要结合系统的一些性能观察工具来综合分析，比如 netstat 统计单位时间的发送包的数目，如果很明显超过了所在网络带宽的限制；观察 cpu 的利用率，如果系统态的 CPU 时间，相对于用户态的 CPU 时间比例较高；如果程序运行在 Solaris 10 平台上，可以用 dtrace 工具看系统调用的情况，如果观察到 read/write 的系统调用的次数或者运行时间遥遥领先；这些都指向由于网络带宽所限导致的网络瓶颈。

线程 Dump 的分析

原则

结合代码阅读的推理。需要线程 Dump 和源码的相互推到和印证。

造成 Bug 的根源往往会在调用栈上直接体现，一定要格外注意线程当前调用之前的所有调用。

入手点

进入区等待

"d&a-3588" daemon waiting for monitor entry [0x000000006e5d5000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at com.jiuqi.dna.bap.authority.service.UserService$LoginHandler.handle()
- waiting to lock <0x0000000602f38e90> (a java.lang.Object)
at com.jiuqi.dna.bap.authority.service.UserService$LoginHandler.handle()

线程状态 BLOCKED，线程动作 wait on monitor entry，调用修饰 waiting to lock 总是一起出现。表示在代码级别已经存在冲突的调用。必然有问题的代码，需要尽可能减少其发生。

同步块阻塞

一个线程锁住某对象,大量其他线程在该对象上等待。

"blocker" runnable
java.lang.Thread.State: RUNNABLE
at com.jiuqi.hcl.javadump.Blocker$1.run(Blocker.java:23)
- locked <0x00000000eb8eff68> (a java.lang.Object)
"blockee-11" waiting for monitor entry
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at com.jiuqi.hcl.javadump.Blocker$2.run(Blocker.java:41)
- waiting to lock <0x00000000eb8eff68> (a java.lang.Object)
"blockee-86" waiting for monitor entry
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at com.jiuqi.hcl.javadump.Blocker$2.run(Blocker.java:41)
- waiting to lock <0x00000000eb8eff68> (a java.lang.Object)

持续运行的IO 

IO操作是会以 RUNNABLE 状态达成阻塞。例如：数据库死锁、网络读写。 格外注意对 IO 线程的真实状态的分析。一般来说，被捕捉到 RUNNABLE 的 IO 调用，都是有问题的。

以下堆栈显示： 线程状态为 RUNNABLE。 调用栈在 SocketInputStream 或 SocketImpl 上，socketRead0 等方法。 调用栈包含了 jdbc 相关的包。很可能发生了数据库死锁

"d&a-614" daemon prio=6 tid=0x0000000022f1f000 nid=0x37c8 runnable
[0x0000000027cbd000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLE
at java.net.SocketInputStream.socketRead0(Native Method)
at java.net.SocketInputStream.read(Unknown Source)
at oracle.net.ns.Packet.receive(Packet.java:240)
at oracle.net.ns.DataPacket.receive(DataPacket.java:92)
at oracle.net.ns.NetInputStream.getNextPacket(NetInputStream.java:172)
at oracle.net.ns.NetInputStream.read(NetInputStream.java:117)
at oracle.jdbc.driver.T4CMAREngine.unmarshalUB1(T4CMAREngine.java:1034)
at oracle.jdbc.driver.T4C8Oall.receive(T4C8Oall.java:588)

分线程调度的休眠

正常的线程池等待

"d&a-131" in Object.wait()
java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
at com.jiuqi.dna.core.impl.WorkingManager.getWorkToDo(WorkingManager.java:322)
- locked <0x0000000313f656f8> (a com.jiuqi.dna.core.impl.WorkingThread)
at com.jiuqi.dna.core.impl.WorkingThread.run(WorkingThread.java:40)

可疑的线程等待

"d&a-121" in Object.wait()
java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
at java.lang.Object.wait(Object.java:485)
at com.jiuqi.dna.core.impl.AcquirableAccessor.exclusive()
- locked <0x00000003011678d8> (a com.jiuqi.dna.core.impl.CacheGroup)
at com.jiuqi.dna.core.impl.Transaction.lock()

入手点总结

wait on monitor entry： 被阻塞的，肯定有问题

runnable： 注意 IO 线程

**in Object.wait()**： 注意非线程池等待

使用

想要学习一个命令，先来看看帮助，使用 jstack -help 查看帮助：

pudding@DESKTOP-1QCHCU4:~$ jstack -help
Usage:
    jstack [-l] <pid>
        (to connect to running process)
    jstack -F [-m] [-l] <pid>
        (to connect to a hung process)
    jstack [-m] [-l] <executable> <core>
        (to connect to a core file)
    jstack [-m] [-l] [server_id@]<remote server IP or hostname>
        (to connect to a remote debug server)

Options:
    -F  to force a thread dump. Use when jstack <pid> does not respond (process is hung)
    -m  to print both java and native frames (mixed mode)
    -l  long listing. Prints additional information about locks
    -h or -help to print this help message
  • -F：当 ’jstack [-l] pid’ 没有相应的时候强制打印栈信息
  • -l：长列表。打印关于锁的附加信息，例如属于 java.util.concurrent 的 ownable synchronizers 列表
  • -m：打印 java 和 native c/c++ 框架的所有栈信息
  • -h：-help 打印帮助信息
  • pid：需要被打印配置信息的 java 进程 id，可以用 jps 查询

首先，我们分析这么一段程序的线程情况：

/**
 * @author pudding
 */

public class JStackDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            //Do Nothing
        }
    }
}

先是有 jps 查看进程号：

pudding@DESKTOP-1QCHCU4:/mnt/wsl$ jps
929 org.eclipse.equinox.launcher_1.6.800.v20240513-1750.jar
1477 sun.tools.jcmd.JCmd
1499 Jps
1372 JStackDemo1

然后使用 jstack 查看堆栈信息：

pudding@DESKTOP-1QCHCU4:/mnt/wsl$ jstack 1372
2024-06-26 21:41:40
Full thread dump OpenJDK 64-Bit Server VM (25.412-b08 mixed mode):
...此处省略若干内容...
"main" #1 prio=5 os_prio=0 tid=0x00007fc86c00a800 nid=0x55d runnable [0x00007fc873672000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
        at JStackDemo1.main(JStackDemo1.java:7)

我们可以从这段堆栈信息中看出什么来呢？我们可以看到，当前一共有一条用户级别线程，线程处于 runnable 状态，执行到 JStackDemo1.java 的第七行。 看下面代码：

/**
 * @author pudding
 */

public class JStackDemo1 {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            Thread thread = new Thread(new Thread1());
            thread.start();
        }
    }
}

class Thread1 implements Runnable{
    @Override
    public void run() {
        while(true){
            System.out.println(1);
        }
    }
}

线程堆栈信息如下：

"Reference Handler" daemon prio=10 tid=0x00007fbbcc06e000 nid=0x286c in Object.wait() [0x00007fbbc8dfc000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
    at java.lang.Object.wait(Native Method)
    - waiting on <0x0000000783e066e0> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
    at java.lang.Object.wait(Object.java:503)
    at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:133)
    - locked <0x0000000783e066e0> (a java.lang.ref.Reference$Lock)

我们能看到：

线程的状态： WAITING 线程的调用栈
线程的当前锁住的资源： <0x0000000783e066e0>
线程当前等待的资源：<0x0000000783e066e0>

为什么同时锁住的等待同一个资源：

线程的执行中，先获得了这个对象的 Monitor（对应于 locked <0x0000000783e066e0>）。当执行到 obj.wait()，线程即放弃了 Monitor 的所有权，进入 “wait set” 队列（对应于 waiting on <0x0000000783e066e0> ）。

死锁分析

学会了怎么使用 jstack 命令之后，我们就可以看看，如何使用 jstack 分析死锁了，这也是我们一定要掌握的内容。 啥叫死锁？ 所谓死锁： 是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁，这些永远在互相等待的进程称为死锁进程。

说白了，我现在想吃鸡蛋灌饼，桌子上放着鸡蛋和饼，但是我和我的朋友同时分别拿起了鸡蛋和病，我手里拿着鸡蛋，但是我需要他手里的饼。他手里拿着饼，但是他想要我手里的鸡蛋。就这样，如果不能同时拿到鸡蛋和饼，那我们就不能继续做后面的工作（做鸡蛋灌饼）。所以，这就造成了死锁。 看一段死锁的程序：

/**
 * @author pudding
 */

public class JStackDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Thread t1 = new Thread(new DeadLockclass(true));
        Thread t2 = new Thread(new DeadLockclass(false));
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
class DeadLockclass implements Runnable {
    public boolean falg;
    DeadLockclass(boolean falg) {
        this.falg = falg;
    }
    public void run() {
        /**
         * 如果falg的值为true则调用t1线程
         */
        if (falg) {
            while (true) {
                synchronized (Suo.o1) {
                    System.out.println("o1 " + Thread.currentThread().getName());
                    synchronized (Suo.o2) {
                        System.out.println("o2 " + Thread.currentThread().getName());
                    }
                }
            }
        }
        /**
         * 如果falg的值为false则调用t2线程
         */
        else {
            while (true) {
                synchronized (Suo.o2) {
                    System.out.println("o2 " + Thread.currentThread().getName());
                    synchronized (Suo.o1) {
                        System.out.println("o1 " + Thread.currentThread().getName());
                    }
                }
            }
        }
    }
}

class Suo {
    static Object o1 = new Object();
    static Object o2 = new Object();
}

当我启动该程序时，我们看一下控制台：

控制台

我们发现，程序只输出了两行内容，然后程序就不再打印其它的东西了，但是程序并没有停止。这样就产生了死锁。 当线程 1 使用 synchronized 锁住了 o1 的同时，线程 2 也是用 synchronized 锁住了 o2。当两个线程都执行完第一个打印任务的时候，线程 1 想锁住 o2，线程 2 想锁住 o1。但是，线程 1 当前锁着 o1，线程 2 锁着 o2。所以两个想成都无法继续执行下去，就造成了死锁。
然后，我们使用 jstack 来看一下线程堆栈信息：

Found one Java-level deadlock:
=============================
"Thread-1":
  waiting to lock monitor 0x00007f6274003ac8 (object 0x000000077e004ec0, a java.lang.Object),
  which is held by "Thread-0"
"Thread-0":
  waiting to lock monitor 0x00007f62740050c8 (object 0x000000077e004ed0, a java.lang.Object),
  which is held by "Thread-1"

Java stack information for the threads listed above:
===================================================
"Thread-1":
        at DeadLockclass.run(JStackDemo.java:40)
        - waiting to lock <0x000000077e004ec0> (a java.lang.Object)
        - locked <0x000000077e004ed0> (a java.lang.Object)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:750)
"Thread-0":
        at DeadLockclass.run(JStackDemo.java:27)
        - waiting to lock <0x000000077e004ed0> (a java.lang.Object)
        - locked <0x000000077e004ec0> (a java.lang.Object)
        at java.lang.Thread.run(Thread.java:750)

Found 1 deadlock.

哈哈，堆栈写的很明显，它告诉我们 Found one Java-level deadlock，然后指出造成死锁的两个线程的内容。然后，又通过 Java stack information for the threads listed above来显示更详细的死锁的信息。 他说

Thread-1 在想要执行第 40 行的时候，当前锁住了资源 <0x00000007d6aa2ca8>，但是他在等待资源 <0x00000007d6aa2c98> ；
Thread-0 在想要执行第 27 行的时候，当前锁住了资源 <0x00000007d6aa2c98>，但是他在等待资源<0x00000007d6aa2ca8> ；
由于这两个线程都持有资源，并且都需要对方的资源，所以造成了死锁。 原因我们找到了，就可以具体问题具体分析，解决这个死锁了。

其他

虚拟机执行 Full GC 时，会阻塞所有的用户线程。因此，即时获取到同步锁的线程也有可能被阻塞。 在查看线程 Dump 时，首先查看内存使用情况

文章作者: Pudding
文章链接: https://wu3227834.github.io/2024/06/29/2024-06-30-java-ming-ling-xue-xi-xi-lie-er-jstack/
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