Java線上問題排查神器Arthas實戰(zhàn)原理解析
概述
背景
是不是在實際開發(fā)工作當(dāng)中經(jīng)常碰到自己寫的代碼在開發(fā)、測試環(huán)境行云流水穩(wěn)得一筆，可一到線上就經(jīng)常不是缺這個就是少那個反正就是一頓報錯抽風(fēng)似的，線上調(diào)試代碼又很麻煩，讓人頭疼得抓狂；而且debug不一定是最高效的方法，遇到線上問題不能debug了怎么辦。原先我們Java中我們常用分析問題一般是使用JDK自帶或第三方的分析工具如jstat、jmap、jstack、 jconsole、visualvm、Java Mission Control、MAT等。但此刻的你沒有看錯，還有一款神器Arthas工具著實讓人吃驚，可幫助程序員解決很多繁瑣的問題，使得加班解決線上問題成為過去的可能性大大提高。
定義
Arthas是一個Java診斷工具，由阿里巴巴中間件團(tuán)隊開源，目前已在Java開發(fā)人員中被廣泛采用。Arthas能夠分析，診斷，定位Java應(yīng)用問題，例如：JVM信息，線程信息，搜索類中的方法，跟蹤代碼執(zhí)行，觀測方法的入?yún)⒑头祷貐?shù)等等。并能在不修改應(yīng)用代碼的情況下，對業(yè)務(wù)問題進(jìn)行診斷，包括查看方法的出入?yún)?，異常，監(jiān)測方法執(zhí)行耗時，類加載信息等，大大提升線上問題排查效率。簡單的話：就是再不重啟應(yīng)用的情況下達(dá)到排查問題的目的。
特性
- 儀表盤實時查看系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。
- OGNL表達(dá)式查看參數(shù)和返回值/例外，查看方法參數(shù)、返回值和異常。
- 通過jad/sc/redefine實現(xiàn)在線熱插拔。
- 快速解決類沖突問題，定位類加載路徑。
- 快速定位應(yīng)用熱點(diǎn)和生成火焰圖。
- 支持在線診斷WebConsole。
- Arthas對應(yīng)用程序沒有侵入(但對宿主機(jī)jvm有侵入)，代碼或項目中不需要引入jar包或依賴，因為是通過attach的機(jī)制實現(xiàn)的，我們的應(yīng)用的程序和arthas都是獨(dú)立的進(jìn)程，arthas是通過和jvm底層交互來獲取運(yùn)行在其上的應(yīng)用程序?qū)崟r數(shù)據(jù)的，靈活查看運(yùn)行時的值，這個和hickwall,jprofiler等監(jiān)控軟件的區(qū)別(JPofiler也有這樣的功能,但是是收費(fèi)的)動態(tài)增加aop代理和監(jiān)控日志功能，無需重啟服務(wù)，而且關(guān)閉arthas客戶端后會還原所有增強(qiáng)過的類，原則上是不會影響現(xiàn)有業(yè)務(wù)邏輯的。
- 對應(yīng)用程序所在的服務(wù)器性能的影響，個別命令使用不當(dāng)?shù)脑?，可能會撐爆jvm內(nèi)存或?qū)е聭?yīng)用程序響應(yīng)變慢，命令的輸出太多，接口調(diào)用太頻繁會記錄過多的數(shù)據(jù)變量到內(nèi)存里，比如tt指令，建議加 -n 參數(shù) 限制輸出次數(shù)，sc * 通配符的使用不當(dāng)，范圍過大，使用異步任務(wù)時，請勿同時開啟過多的后臺異步命令，以免對目標(biāo)JVM性能造成影響，一把雙刃劍(它甚至可以修改jdk里的原生類)，所以在線上運(yùn)行肯定是需要權(quán)限和流程控制的。
使用場景
在日常開發(fā)中，當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)用的某個接口響應(yīng)比較慢，這個時候想想要分析一下原因，找到代碼中耗時的部分，比較容易想到的是在接口鏈路的 IO 操作上下游打印時間日志，再根據(jù)幾個時間點(diǎn)的日志算出耗時長的 IO 操作。這種方式?jīng)]有問題，但是加日志需要發(fā)布，既繁瑣又低效，這個時候可以引入一些線上 debug 的工具，arthas 就是很好的一種，除了分析耗時，還可以打印調(diào)用棧、方法入?yún)⒓胺祷?，類加載情況，線程池狀態(tài)，系統(tǒng)參數(shù)等等，其實現(xiàn)原理是解析 JVM 在操作系統(tǒng)中的文件，大部分操作是只讀的，對服務(wù)進(jìn)程沒有侵入性，因此可以放心使用。
實戰(zhàn)
CPU占用高示例
創(chuàng)建一個springboot項目并打包成arthas-demo-1.0.jar，啟動arthas-demo-1.0.jar
代碼示例如下
package cn.itxs;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import java.util.UUID;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
@SpringBootApplication
public class App
{
public static void main(String[] args) {
SpringApplication.run(App.class,args);
new Thread( () -> {
while (true) {
String str = UUID.randomUUID().toString().replaceAll("-", "");
}
},"cpu demo thread").start();
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
},"cpu with sleep thread").start();
}
}安裝與使用
推薦方式
# 下載`arthas-boot.jar`這種也是官方推薦的方式 curl -O https://arthas.aliyun.com/arthas-boot.jar # 啟動arthas-boot.jar，必須啟動至少一個 java程序，否則會自動退出。運(yùn)行此命令會自動發(fā)現(xiàn) java進(jìn)程，輸入需要 attach 進(jìn)程對應(yīng)的序列號，例如，輸入1按回車則會監(jiān)聽該進(jìn)程。 java -jar arthas-boot.jar # 比如輸入JVM （jvm實時運(yùn)行狀態(tài)，內(nèi)存使用情況等）
CPU占用高示例
package cn.itxs.controller;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseBody;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
@RestController
@RequestMapping("/thread")
public class ThreadController {
private Object obj1 = new Object();
private Object obj2 = new Object();
@RequestMapping("/test")
@ResponseBody
public String test(){
new Thread(() -> {
synchronized (obj1){
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
synchronized (obj2){
System.out.printf("thread 1執(zhí)行到此");
}
}
}
},"thread 1").start();
synchronized (obj2) {
synchronized (obj1){
System.out.printf("thread 2執(zhí)行到此");
},"thread 2").start();
return "thread test";
}
}SpringBoot啟動類
package cn.itxs;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
@SpringBootApplication
public class App
{
public static void main(String[] args) {
SpringApplication.run(App.class,args);
}
}# 訪問頁面http://192.168.50.100:8080/cpu/test
# 儀表盤命令，通過上面我們可以發(fā)現(xiàn)線程ID為29也即是線程名稱為“cpu demo thread”占用的cpu較高
dashboard
第一部分時顯示JVM中運(yùn)行的所有線程：所在線程組，優(yōu)先級，線程的狀態(tài)，CPU的占有率，是否是后臺進(jìn)程等。
第二部分顯示的JVM內(nèi)存的使用情況和GC的信息。
第三部分是操作系統(tǒng)的一些信息和 Java版本號。
# 當(dāng)前最忙的前N個線程 thread -b, ##找出當(dāng)前阻塞其他線程的線程 thread -n 5 -i 1000 #間隔一定時間后展示，本例中可以看到最忙CPU線程為id=45，代碼行數(shù)為19 thread -n 5 # jad查看反編譯的代碼 jad cn.itxs.controller.CpuController
線程死鎖示例
package cn.itxs.controller;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseBody;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
@RestController
@RequestMapping("/thread")
public class ThreadController {
private Object obj1 = new Object();
private Object obj2 = new Object();
@RequestMapping("/test")
@ResponseBody
public String test(){
new Thread(() -> {
synchronized (obj1){
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(10);
} catch (InterruptedException e) {
}
synchronized (obj2){
System.out.println("thread 1執(zhí)行到此");
}
},"thread 1").start();
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
synchronized (obj2) {
synchronized (obj1){
System.out.println("thread 2執(zhí)行到此");
},"thread 2").start();
return "thread test";
}
}# 啟動SpringBoot演示程序，訪問頁面http://192.168.50.100:8080/thread/test # 運(yùn)行arthas，查看線程 thread
# 查看阻塞線程 thread -b # jad反編譯查看代碼 jad --source-only cn.itxs.controller.ThreadController
線上修復(fù)熱部署
準(zhǔn)備一個有問題的java類
package cn.itxs.controller;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseBody;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import java.util.UUID;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
@RestController
@RequestMapping("/hot")
public class HotController {
@RequestMapping("/test")
@ResponseBody
public String test(){
boolean flag = true;
if (flag) {
System.out.println("開始處理邏輯");
throw new RuntimeException("出異常了");
}
System.out.println("結(jié)束流程");
return "hot test";
}
}啟動Spring Boot程序，訪問頁面http://192.168.50.94:8080/hot/test發(fā)現(xiàn)報錯，當(dāng)我們分析到這段程序出異常后，我們分析異常后進(jìn)行線上代碼修改不停機(jī)不重新發(fā)包的情況下的熱更新，操作流程如下：
# 第一步：`jad命令` 將需要更改的文件先進(jìn)行反編譯，保存下來 ，編譯器修改,-c 指定這個類的classloader的哈希值，–source-only只顯示源碼，最后是文件反編譯之后的存放路徑
jad --source-only cn.itxs.controller.HotController > /home/commons/arthas/data/HotController.java
# 我們將HotController.java中的throw new RuntimeException("出異常了")代碼刪掉，修改完后需要將類重新加載到JVM
# 第二步：`SC命令` 查找當(dāng)前類是哪個classLoader加載的，首先，使用sc命令找到要修改的類.sc全稱-search class， -d表示detail,主要是為了獲取classLoader的hash值
sc -d *HotController | grep classLoader
classLoaderHash 6267c3bb #類加載器 編號
# 第三步：`MC命令` 用指定的classloader重新將類在內(nèi)存中編譯
mc -c 6267c3bb /home/commons/arthas/data/HotController.java -d /home/commons/arthas/class
# 第四步：`redefine命令` 將編譯后的類加載到JVM，參數(shù)是編譯后的.class文件地址
redefine /home/commons/arthas/class/cn/itxs/controller/HotController.class 以上操作后再次訪問一下頁面http://192.168.50.94:8080/hot/test，發(fā)現(xiàn)異常沒有了程序已經(jīng)是我們修改正確后的，class文件替換成功，功能確實很強(qiáng)大。
上面我們是手工一步步執(zhí)行，當(dāng)然我們可以使用shell腳本串起來簡單操作。
此外還可以安裝Alibaba Cloud Toolkit熱部署組件（一鍵retransform），熱部署組件支持一鍵將編輯器中修改的 Java 源碼快速編譯，并更新到遠(yuǎn)端應(yīng)用服務(wù)中，免去手動 dump、mc 的過程。此外，也可以一鍵還原 retransform 的類文件。
由于Arthas命令還是較復(fù)雜，Arthas-idea插件（部分命令可視化）是一個幫助生成命令的IDEA插件，使用文檔：https://www.yuque.com/arthas-idea-plugin；
安裝基于Arthas實現(xiàn)的簡單好用的熱部署插件ArthasHotSwap可以一鍵生成熱部署命令，提高我們線上維護(hù)的效率。
線上問題常見定位
watch（方法執(zhí)行數(shù)據(jù)觀測）
package cn.itxs.controller;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.ResponseBody;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
@RestController
@RequestMapping("/watch")
public class WatchController {
private static Random random = new Random();
private int illegalArgumentCount = 0;
@RequestMapping("/test")
@ResponseBody
public String test(){
String res = null;
try {
int number = random.nextInt() / 10000;
List<Integer> idStrs = this.getIdStr(number);
res = printList(number, idStrs);
}
catch (Exception e) {
System.out.println(String.format("illegalArgumentCount:%3d, ", this.illegalArgumentCount) + e.getMessage());
return res;
}
private List<Integer> getIdStr(int number) {
if (number < 5) {
++this.illegalArgumentCount;
throw new IllegalArgumentException("number is: " + number + ", need >= 5");
ArrayList<Integer> result = new ArrayList<Integer>();
int count = 2;
while (count <= number) {
if (number % count == 0) {
result.add(count);
number /= count;
count = 2;
continue;
}
++count;
return result;
private String printList(int number, List<Integer> primeFactors) {
StringBuffer sb = new StringBuffer(number + "=");
for (int factor : primeFactors) {
sb.append(factor).append('*');
if (sb.charAt(sb.length() - 1) == '*') {
sb.deleteCharAt(sb.length() - 1);
System.out.println(sb);
return sb.toString();
}啟動Spring Boot程序，通過Jmeter每秒訪問一次http://192.168.50.100:8080/watch/test
# Arthas中的**watch**命令可以讓我們能方便的觀察到指定方法的調(diào)用情況，可以觀察到返回值，入?yún)ⅲ约白兞康取?
# watch 全路徑類名 方法名 觀察表達(dá)式 -x 3 ，觀察表達(dá)式匹配ognl表達(dá)式，觀察的維度也比較多。
# 比如：watch cn.itxs.controller.WatchController printList "{params,returnObj}" -x 3
# 查看printList方法的入?yún)⒑统鰠ⅲ?x表示的是遍歷結(jié)果深度默認(rèn)1，只會打印對象的堆地址，看不到具體的屬性值,-x 2會打印結(jié)果的屬性值的信息 -x 3會輸出入?yún)傩灾岛徒Y(jié)果屬性值
# -n 1只抓緊一次，由于我們這里是模擬一直請求的
watch cn.itxs.controller.WatchController printList '{params}' -n 1
# -x 表示的是遍歷結(jié)果深度默認(rèn)3
watch cn.itxs.controller.WatchController printList '{params}' -n 1 -x 3
# params[0]代表第一個參數(shù)
watch cn.itxs.controller.WatchController printList '{params[0]}' -n 1 -x 3
# 方法的返回值
watch cn.itxs.controller.WatchController getIdStr '{returnObj}' -n 1 -x 3
# 方法參數(shù)和返回值
watch cn.itxs.controller.WatchController getIdStr '{params,returnObj}' -n 1 -x 3
# 觀察方法執(zhí)行前后當(dāng)前對象屬性值 watch cn.itxs.controller.WatchController getIdStr 'target.illegalArgumentCount'
# 觀察異常信息，觀察表達(dá)式里增加throwExp就好了。如果增加-e 參數(shù)就能過濾掉非異常的監(jiān)聽了。
# 在觀察表達(dá)式后面，我們可以增加條件表達(dá)式，例如按時間過濾：#cost>0.5,單位是毫秒，那么控制臺輸出來的都是耗時在0.5毫秒以上的方法調(diào)用
watch cn.itxs.controller.WatchController getIdStr '{params}' '#cost>0.5'
# 按條件過濾觀察params[1].size>4:這里支持ognl表達(dá)式。下面例子的意思是：第二個參數(shù)（也就是List primeFactors），的size大于4的時候才觀察入?yún)ⅰatch cn.itxs.controller.WatchController printList '{params}' 'params[1].size>4' -x 3
monitor（方法執(zhí)行監(jiān)控）
monitor結(jié)果包括如下
- timestamp：時間戳
- class：Java類
- method：方法（構(gòu)造方法、普通方法）
- total：調(diào)用次數(shù)
- success：成功次數(shù)
- fail：失敗次數(shù)
- rt：平均RT
- fail-rate：失敗率
# -c ：統(tǒng)計周期，默認(rèn)值為10秒 monitor -c 10 cn.itxs.controller.WatchController getIdStr # 在方法調(diào)用之前計算condition-express,方法后可帶表達(dá)式 monitor -b -c 10 cn.itxs.controller.WatchController getIdStr
trace
# trace:方法內(nèi)部調(diào)用路徑，并輸出方法路徑上的每個節(jié)點(diǎn)上耗時 trace cn.itxs.controller.WatchController test -n 2 #包含jdk的函數(shù)--skipJDKMethod <value> skip jdk method trace, default value true.默認(rèn)情況下，trace不會包含jdk里的函數(shù)調(diào)用，如果希望trace jdk里的函數(shù)，需要顯式設(shè)置--skipJDKMethod false。 trace --skipJDKMethod false cn.itxs.controller.WatchController test -n 2 # 調(diào)用耗時過濾，只會展示耗時大于10ms的調(diào)用路徑，有助于在排查問題的時候，只關(guān)注異常情況 trace cn.itxs.controller.WatchController test '#cost > 1'
stack
# 輸出當(dāng)前方法被調(diào)用的調(diào)用路徑，getIdStr是從test方法調(diào)用進(jìn)來的 stack cn.itxs.controller.WatchController getIdStr -n 1 # 輸出當(dāng)前方法被調(diào)用的調(diào)用路徑，條件表達(dá)過濾，第0個參數(shù)小于0，也可以根據(jù)執(zhí)行時間來過濾，'#cost>1' stack cn.itxs.controller.WatchController getIdStr 'params[0]<0' -n 1
tt
tt(TimeTunnel):方法執(zhí)行數(shù)據(jù)的時空隧道，記錄下指定方法每次調(diào)用的入?yún)⒑头祷匦畔?，并能對這些不同的時間下調(diào)用進(jìn)行觀測。對于一個最基本的使用來說，就是記錄下當(dāng)前方法的每次調(diào)用環(huán)境現(xiàn)場。
# 記錄指定方法的每次調(diào)用環(huán)境現(xiàn)場 tt -t cn.itxs.controller.WatchController getIdStr # 列出所有調(diào)用記錄 tt -l cn.itxs.controller.WatchController getIdStr
# 篩選調(diào)用記錄 tt -s 'method.name=="getIdStr"' # 查看調(diào)用信息 tt -i 1001
# 重新發(fā)起一次調(diào)用 tt -i 1001 -p
Web Console
# 啟動時指定Linux的ip java -jar arthas-boot.jar --target-ip 192.168.50.94
profiler
profiler 命令支持生成應(yīng)用熱點(diǎn)的火焰圖。本質(zhì)上是通過不斷的采樣，然后把收集到的采樣結(jié)果生成火焰圖。一般分析性能可以先通過Arthas profiler命令生成jfr文件；在本地通過jprofiler來分析jfr文件，定位誰在調(diào)用我。
# 啟動profiler 默認(rèn)情況下，生成的是cpu的火焰圖，即event為cpu?？梢杂?-event參數(shù)來指定 profiler start # 獲取已采集的sample的數(shù)量 profiler getSamples # 查看profiler狀態(tài) profiler status # 停止profiler 生成html格式結(jié)果，默認(rèn)情況下，結(jié)果文件是html格式，也可以用--format參數(shù)指定；或者在--file參數(shù)里用文件名指名格式。比如--file /tmp/result.html profiler stop --format html
通過瀏覽器查看arthas-output下面的profiler結(jié)果，http://192.168.50.100:3658/arthas-output/
# profiler支持的events profiler list
# 可以用--event參數(shù)指定要采樣的事件，比如對alloc事件進(jìn)入采樣： profiler start --event alloc # 使用execute來執(zhí)行復(fù)雜的命令 profiler execute 'start,framebuf=5000000' # 生成 jfr格式結(jié)果；注意，jfr只支持在 start時配置。如果是在stop時指定，則不會生效。 profiler start --file /tmp/test.jfr # 配置 include/exclude 來過濾數(shù)據(jù) profiler start --include 'java/*' --include 'demo/*' --exclude '*Unsafe.park*' # profiler執(zhí)行 300 秒自動結(jié)束，可以用 -d/--duration 參數(shù)指定 profiler start --duration 300
其他功能
提供Http API可以提供結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，支持更復(fù)雜的交互功能，比如特定應(yīng)用場景的一系列診斷操作。Http API接口地址為：http://ip:port/api，必須使用POST方式提交請求參數(shù)。如POST http://127.0.0.1:8563/api
{
"action": "exec",
"requestId": "req112",
"sessionId": "94766d3c-8b39-42d3-8596-98aee3ccbefb",
"consumerId": "955dbd1325334a84972b0f3ac19de4f7_2",
"command": "version",
"execTimeout": "10000"
}docker使用，很多時候，應(yīng)用在docker里出現(xiàn)arthas無法工作的問題，是因為應(yīng)用沒有安裝 JDK ，而是安裝了 JRE 。如果只安裝了 JRE，則會缺少很多JAVA的命令行工具和類庫，Arthas也沒辦法正常工作，可以使用公開的JDK鏡像和包管理軟件來安裝這兩種方式在Docker里使用JDK。
# 選擇需要監(jiān)控應(yīng)用的進(jìn)程編號，回車后Arthas會attach到目標(biāo)進(jìn)程上，并輸出日志： docker exec -it arthas-demo /bin/sh -c "java -jar /opt/arthas/arthas-boot.jar" # 甚至我們可以直接把a(bǔ)rthas放到容器鏡像文件中：
Arthas Spring Boot Starter:應(yīng)用啟動后，spring會啟動arthas，并且attach自身進(jìn)程。
<dependency>
<groupId>com.taobao.arthas</groupId>
<artifactId>arthas-spring-boot-starter</artifactId>
<version>${arthas.version}</version>
</dependency>非spring boot應(yīng)用使用方式
<dependency>
<groupId>com.taobao.arthas</groupId>
<artifactId>arthas-agent-attach</artifactId>
<version>${arthas.version}</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>com.taobao.arthas</groupId>
<artifactId>arthas-packaging</artifactId>
<version>${arthas.version}</version>
</dependency>import com.taobao.arthas.agent.attach.ArthasAgent;
public class ArthasAttachExample {
public static void main(String[] args) {
ArthasAgent.attach();
}
}到此這篇關(guān)于Java線上問題排查神器Arthas實戰(zhàn)分析的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java線上問題排查神器Arthas內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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