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1.1 什么是Thread Dump
Thread Dump是非常有用的诊断Java应用问题的工具。每一个Java虚拟机都有及时生成所有线程在某一点状态的thread-dump的能力#xff0c;虽然各个 Java虚拟机打印的thread dump略有不同#xff0c;但是 大多都提供了当前活动线程的快…1 Thread Dump介绍
1.1 什么是Thread Dump
Thread Dump是非常有用的诊断Java应用问题的工具。每一个Java虚拟机都有及时生成所有线程在某一点状态的thread-dump的能力虽然各个 Java虚拟机打印的thread dump略有不同但是 大多都提供了当前活动线程的快照及JVM中所有Java线程的堆栈跟踪信息堆栈信息一般包含完整的类名及所执行的方法如果可能的话还有源代码的行数。
1.2 Thread Dump特点
能在各种操作系统下使用 能在各种Java应用服务器下使用 能在生产环境下使用而不影响系统的性能 能将问题直接定位到应用程序的代码行上
1.3 Thread Dump抓取
一般当服务器挂起崩溃或者性能低下时就需要抓取服务器的线程堆栈Thread Dump用于后续的分析。在实际运行中往往一次 dump的信息还不足以确认问题。为了反映线程状态的动态变化需要接连多次做thread dump每次间隔10-20s建议至少产生三次 dump信息如果每次 dump都指向同一个问题我们才确定问题的典型性。
1.操作系统命令获取ThreadDump
ps –ef | grep java
kill -3注意 一定要谨慎, 一步不慎就可能让服务器进程被杀死。kill -9 命令会杀死进程。
2.JVM 自带的工具获取线程堆栈
jps 或 ps –ef | grep java 获取PID
jstack [-l ] | tee -a jstack.log获取ThreadDump2 Thread Dump分析
2.1 Thread Dump信息
2.1.1.头部信息时间JVM信息
2011-11-02 19:05:06
Full thread dump Java HotSpot(TM) Server VM (16.3-b01 mixed mode):
2.1.2.线程INFO信息块
1. Timer-0 daemon prio10 tid0xac190c00 nid0xaef in Object.wait() [0xae77d000]
# 线程名称Timer-0线程类型daemon优先级: 10默认是5
# JVM线程idtid0xac190c00JVM内部线程的唯一标识通过java.lang.Thread.getId()获取通常用自增方式实现。
# 对应系统线程idNativeThread IDnid0xaef和top命令查看的线程pid对应不过一个是10进制一个是16进制。通过命令top -H -p pid可以查看该进程的所有线程信息
# 线程状态in Object.wait()
# 起始栈地址[0xae77d000]对象的内存地址通过JVM内存查看工具能够看出线程是在哪儿个对象上等待
2. java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (on object monitor)
3. at java.lang.Object.wait(Native Method)
4. -waiting on 0xb3885f60 (a java.util.TaskQueue) # 继续wait
5. at java.util.TimerThread.mainLoop(Timer.java:509)
6. -locked 0xb3885f60 (a java.util.TaskQueue) # 已经locked
7. at java.util.TimerThread.run(Timer.java:462)Java thread statck trace是上面2-7行的信息。到目前为止这是最重要的数据
Java stack trace提供了大部分信息来精确定位问题根源。2.1.3 Java thread statck trace详解
堆栈信息应该逆向解读程序先执行的是第7行然后是第6行依次类推。
- locked 0xb3885f60 (a java.util.ArrayList)
- waiting on 0xb3885f60 (a java.util.ArrayList)也就是说对象先上锁锁住对象0xb3885f60然后释放该对象锁进入waiting状态。为啥会出现这样的情况呢看看下面的java代码示例就会明白
synchronized(obj) {
.........
obj.wait();
.........
}如上线程的执行过程先用 synchronized 获得了这个对象的 Monitor对应于 locked 0xb3885f60 。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 0xb3885f60 。
在堆栈的第一行信息中进一步标明了线程在代码级的状态例如
java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (parking)解释如下
|blocked| This thread tried to enter asynchronized block, but the lock was taken by another thread. This thread isblocked until the lock gets released.|blocked (on thin lock)| This is the same state asblocked, but the lock in question is a thin lock.|waiting| This thread calledObject.wait() on an object. The thread will remain there until some otherthread sends a notification to that object.|sleeping| This thread calledjava.lang.Thread.sleep().|parked| This thread calledjava.util.concurrent.locks.LockSupport.park().|suspended| The threads execution wassuspended by java.lang.Thread.suspend() or a JVMTI agent call.2.2 Thread状态分析
线程的状态是一个很重要的东西因此thread dump中会显示这些状态通过对这些状态的分析能够得出线程的运行状况进而发现可能存在的问题。线程的状态在Thread.State这个枚举类型中定义
public enum State
{
/**
* Thread state for a thread which has not yet started.*/ NEW,/** * Thread state for a runnable thread. A thread in the runnable * state is executing in the Java virtual machine but it may * be waiting for other resources from the operating system * such as processor. */ RUNNABLE, /** * Thread state for a thread blocked waiting for a monitor lock. * A thread in the blocked state is waiting for a monitor lock * to enter a synchronized block/method or * reenter a synchronized block/method after calling * {link Object#wait() Object.wait}. */ BLOCKED, /** * Thread state for a waiting thread. * A thread is in the waiting state due to calling one of the * following methods: * ul * li{link Object#wait() Object.wait} with no timeout/li * li{link #join() Thread.join} with no timeout/li * li{link LockSupport#park() LockSupport.park}/li * /ul * * pA thread in the waiting state is waiting for another thread to * perform a particular action. * * For example, a thread that has called ttObject.wait()/tt * on an object is waiting for another thread to call * ttObject.notify()/tt or ttObject.notifyAll()/tt on * that object. A thread that has called ttThread.join()/tt * is waiting for a specified thread to terminate. */ WAITING, /** * Thread state for a waiting thread with a specified waiting time. * A thread is in the timed waiting state due to calling one of * the following methods with a specified positive waiting time: * ul * li{link #sleep Thread.sleep}/li * li{link Object#wait(long) Object.wait} with timeout/li * li{link #join(long) Thread.join} with timeout/li * li{link LockSupport#parkNanos LockSupport.parkNanos}/li * li{link LockSupport#parkUntil LockSupport.parkUntil}/li * /ul */ TIMED_WAITING, /** * Thread state for a terminated thread. * The thread has completed execution. */ TERMINATED; }1NEW 每一个线程在堆内存中都有一个对应的Thread对象。Thread t new Thread();当刚刚在堆内存中创建Thread对象还没有调用t.start()方法之前线程就处在NEW状态。在这个状态上线程与普通的java对象没有什么区别就仅仅是一个堆内存中的对象。
2RUNNABLE 该状态表示线程具备所有运行条件在运行队列中准备操作系统的调度或者正在运行。 这个状态的线程比较正常但如果线程长时间停留在在这个状态就不正常了这说明线程运行的时间很长存在性能问题或者是线程一直得不得执行的机会存在线程饥饿的问题。
3BLOCKED 线程正在等待获取java对象的监视器(也叫内置锁)即线程正在等待进入由synchronized保护的方法或者代码块。synchronized用来保证原子性任意时刻最多只能由一个线程进入该临界区域其他线程只能排队等待。
4WAITING 处在该线程的状态正在等待某个事件的发生只有特定的条件满足才能获得执行机会。而产生这个特定的事件通常都是另一个线程。也就是说如果不发生特定的事件那么处在该状态的线程一直等待不能获取执行的机会。比如 A线程调用了obj对象的obj.wait()方法如果没有线程调用obj.notify或obj.notifyAll那么A线程就没有办法恢复运行 如果A线程调用了LockSupport.park()没有别的线程调用LockSupport.unpark(A)那么A没有办法恢复运行。
5TIMED_WAITING J.U.C中很多与线程相关类都提供了限时版本和不限时版本的API。TIMED_WAITING意味着线程调用了限时版本的API正在等待时间流逝。当等待时间过去后线程一样可以恢复运行。如果线程进入了WAITING状态一定要特定的事件发生才能恢复运行而处在TIMED_WAITING的线程如果特定的事件发生或者是时间流逝完毕都会恢复运行。
6TERMINATED 线程执行完毕执行完run方法正常返回或者抛出了运行时异常而结束线程都会停留在这个状态。这个时候线程只剩下Thread对象了没有什么用了。
2.3 关键状态分析
1Wait on condition The thread is either sleeping or waiting to be notified by another thread. 该状态说明它在等待另一个条件的发生来把自己唤醒或者干脆它是调用了 sleep(n)。 java.lang.Thread.State: WAITING (parking)一直等那个条件发生 java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (parking或sleeping)定时的那个条件不到来也将定时唤醒自己。
2Waiting for Monitor Entry 和 in Object.wait() The thread is waiting to get the lock for an object (some other thread may be holding the lock). This happens if two or more threads try to execute synchronized code. Note that the lock is always for an object and not for individual methods.
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中用以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。下面这个图描述了线程和 Monitor之间关系以及线程的状态转换图 如上图每个Monitor在某个时刻只能被一个线程拥有该线程就是 “ActiveThread”而其它线程都是 “Waiting Thread”分别在两个队列“Entry Set”和“Wait Set”里等候。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) {
.........
}这时有两种可能性 1.该 monitor不被其它线程拥有 Entry Set里面也没有其它等待线程。本线程即成为相应类或者对象的 Monitor的 Owner执行临界区的代码。 2.该 monitor被其它线程拥有本线程在 Entry Set队列中等待。
在第一种情况下线程将处于 “Runnable”的状态而第二种情况下线程 DUMP会显示处于 “waiting for monitor entry”。如下
Thread-0 prio10 tid0x08222eb0 nid0x9 waiting for monitor entry [0xf927b000..0xf927bdb8]
at testthread.WaitThread.run(WaitThread.java:39)
- waiting to lock 0xef63bf08 (a java.lang.Object)
- locked 0xef63beb8 (a java.util.ArrayList)at java.lang.Thread.run(Thread.java:595)临界区的设置是为了保证其内部的代码执行的原子性和完整性。但是因为临界区在任何时间只允许线程串行通过这和我们多线程的程序的初衷是相反的。如果在多线程的程序中大量使用 synchronized或者不适当的使用了它会造成大量线程在临界区的入口等待造成系统的性能大幅下降。如果在线程 DUMP中发现了这个情况应该审查源码改进程序。
再看“Wait Set”里面的线程。当线程获得了 Monitor进入了临界区之后如果发现线程继续运行的条件没有满足它则调用对象一般就是被 synchronized 的对象的 wait() 方法放弃 Monitor进入 “Wait Set”队列。只有当别的线程在该对象上调用了 notify() 或者 notifyAll()“Wait Set”队列中线程才得到机会去竞争但是只有一个线程获得对象的Monitor恢复到运行态。在 “Wait Set”中的线程 DUMP中表现为 in Object.wait()。如下
Thread-1 prio10 tid0x08223250 nid0xa in Object.wait() [0xef47a000..0xef47aa38]
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on 0xef63beb8 (a java.util.ArrayList)at java.lang.Object.wait(Object.java:474)at testthread.MyWaitThread.run(MyWaitThread.java:40)
- locked 0xef63beb8 (a java.util.ArrayList)at java.lang.Thread.run(Thread.java:595)综上一般CPU很忙时则关注runnable的线程CPU很闲时则关注waiting for monitor entry的线程。
3JDK 5.0 的 Lock
上面提到如果 synchronized和 monitor机制运用不当可能会造成多线程程序的性能问题。在 JDK 5.0中引入了 Lock机制从而使开发者能更灵活的开发高性能的并发多线程程序可以替代以往 JDK中的 synchronized和 Monitor的 机制。但是要注意的是因为 Lock类只是一个普通类JVM无从得知 Lock对象的占用情况所以在线程 DUMP中也不会包含关于 Lock的信息 关于死锁等问题就不如用 synchronized的编程方式容易识别。
2.4 关键状态示例
1显示BLOCKED状态
package jstack;public class BlockedState
{
private static Object object new Object();public static void main(String[] args) { Runnable task new Runnable() { Override public void run() { synchronized (object) { long begin System.currentTimeMillis(); long end System.currentTimeMillis(); // 让线程运行5分钟,会一直持有object的监视器 while ((end - begin) 5 * 60 * 1000) { } } } }; new Thread(task, t1).start(); new Thread(task, t2).start(); }
}先获取object的线程会执行5分钟这5分钟内会一直持有object的监视器另一个线程无法执行处在BLOCKED状态
Full thread dump Java HotSpot(TM) Server VM (20.12-b01 mixed mode):DestroyJavaVM prio6 tid0x00856c00 nid0x1314 waiting on condition [0x00000000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLEt2 prio6 tid0x27d7a800 nid0x1350 waiting for monitor entry [0x2833f000]
java.lang.Thread.State: BLOCKED (on object monitor)
at jstack.BlockedState$1.run(BlockedState.java:17)
- waiting to lock 0x1cfcdc00 (a java.lang.Object) at java.lang.Thread.run(Thread.java:662)t1 prio6 tid0x27d79400 nid0x1338 runnable [0x282ef000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLE
at jstack.BlockedState$1.run(BlockedState.java:22)
- locked 0x1cfcdc00 (a java.lang.Object) at java.lang.Thread.run(Thread.java:662)通过thread dump可以看到t2线程确实处在BLOCKED (on object monitor)。waiting for monitor entry 等待进入synchronized保护的区域。
2显示WAITING状态
package jstack;public class WaitingState
{
private static Object object new Object();public static void main(String[] args) { Runnable task new Runnable() { Override public void run() { synchronized (object) { long begin System.currentTimeMillis(); long end System.currentTimeMillis(); // 让线程运行5分钟,会一直持有object的监视器 while ((end - begin) 5 * 60 * 1000) { try { // 进入等待的同时,会进入释放监视器 object.wait(); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } } } }; new Thread(task, t1).start(); new Thread(task, t2).start(); }
}Full thread dump Java HotSpot(TM) Server VM (20.12-b01 mixed mode):DestroyJavaVM prio6 tid0x00856c00 nid0x1734 waiting on condition [0x00000000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLEt2 prio6 tid0x27d7e000 nid0x17f4 in Object.wait() [0x2833f000]
java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on 0x1cfcdc00 (a java.lang.Object) at java.lang.Object.wait(Object.java:485) at jstack.WaitingState$1.run(WaitingState.java:26)
- locked 0x1cfcdc00 (a java.lang.Object) at java.lang.Thread.run(Thread.java:662)t1 prio6 tid0x27d7d400 nid0x17f0 in Object.wait() [0x282ef000]
java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on 0x1cfcdc00 (a java.lang.Object) at java.lang.Object.wait(Object.java:485) at jstack.WaitingState$1.run(WaitingState.java:26)
- locked 0x1cfcdc00 (a java.lang.Object) at java.lang.Thread.run(Thread.java:662)可以发现t1和t2都处在WAITING (on object monitor)进入等待状态的原因是调用了in Object.wait()。通过J.U.C包下的锁和条件队列也是这个效果大家可以自己实践下。3显示TIMED_WAITING状态
package jstack;import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.locks.Condition;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;public class TimedWaitingState
{
// java的显示锁,类似java对象内置的监视器
private static Lock lock new ReentrantLock();// 锁关联的条件队列(类似于object.wait) private static Condition condition lock.newCondition(); public static void main(String[] args) { Runnable task new Runnable() { Override public void run() { // 加锁,进入临界区 lock.lock(); try { condition.await(5, TimeUnit.MINUTES); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } // 解锁,退出临界区 lock.unlock(); } }; new Thread(task, t1).start(); new Thread(task, t2).start(); }
}Full thread dump Java HotSpot(TM) Server VM (20.12-b01 mixed mode):DestroyJavaVM prio6 tid0x00856c00 nid0x169c waiting on condition [0x00000000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLEt2 prio6 tid0x27d7d800 nid0xc30 waiting on condition [0x2833f000]
java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (parking)
at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
- parking to wait for 0x1cfce5b8 (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject) at java.util.concurrent.locks.LockSupport.parkNanos(LockSupport.java:196) at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2116) at jstack.TimedWaitingState$1.run(TimedWaitingState.java:28) at java.lang.Thread.run(Thread.java:662)t1 prio6 tid0x280d0c00 nid0x16e0 waiting on condition [0x282ef000]
java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (parking)
at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
- parking to wait for 0x1cfce5b8 (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject) at java.util.concurrent.locks.LockSupport.parkNanos(LockSupport.java:196) at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2116) at jstack.TimedWaitingState$1.run(TimedWaitingState.java:28) at java.lang.Thread.run(Thread.java:662)3 案例分析
3.1 问题场景
1CPU飙高load高响应很慢 一个请求过程中多次dump 对比多次dump文件的runnable线程如果执行的方法有比较大变化说明比较正常。如果在执行同一个方法就有一些问题了
2查找占用CPU最多的线程 使用命令top -H -p pidpid为被测系统的进程号找到导致CPU高的线程ID对应thread dump信息中线程的nid只不过一个是十进制一个是十六进制 在thread dump中根据top命令查找的线程id查找对应的线程堆栈信息
3CPU使用率不高但是响应很慢 进行dump查看是否有很多thread struck在了i/o、数据库等地方定位瓶颈原因
4请求无法响应 多次dump对比是否所有的runnable线程都一直在执行相同的方法如果是的恭喜你锁住了
3.2 死锁
死锁经常表现为程序的停顿或者不再响应用户的请求。从操作系统上观察对应进程的CPU占用率为零很快会从top或prstat的输出中消失。
比如在下面这个示例中是个较为典型的死锁情况
Thread-1 prio5 tid0x00acc490 nid0xe50 waiting for monitor entry [0x02d3f000
..0x02d3fd68]
at deadlockthreads.TestThread.run(TestThread.java:31)
- waiting to lock 0x22c19f18 (a java.lang.Object)
- locked 0x22c19f20 (a java.lang.Object)Thread-0 prio5 tid0x00accdb0 nid0xdec waiting for monitor entry [0x02cff000
..0x02cff9e8]
at deadlockthreads.TestThread.run(TestThread.java:31)
- waiting to lock 0x22c19f20 (a java.lang.Object)
- locked 0x22c19f18 (a java.lang.Object)在 JAVA 5中加强了对死锁的检测。线程 Dump中可以直接报告出 Java级别的死锁如下所示
Found one Java-level deadlock:Thread-1:
waiting to lock monitor 0x0003f334 (object 0x22c19f18, a java.lang.Object),
which is held by Thread-0Thread-0:
waiting to lock monitor 0x0003f314 (object 0x22c19f20, a java.lang.Object),
which is held by Thread-13.3 热锁
热锁也往往是导致系统性能瓶颈的主要因素。其表现特征为由于多个线程对临界区或者锁的竞争可能出现 1.频繁的线程的上下文切换从操作系统对线程的调度来看当线程在等待资源而阻塞的时候操作系统会将之切换出来放到等待的队列当线程获得资源之后调度算法会将这个线程切换进去放到执行队列中。2.大量的系统调用因为线程的上下文切换以及热锁的竞争或者临界区的频繁的进出都可能导致大量的系统调用。3.大部分CPU开销用在“系统态”线程上下文切换和系统调用都会导致 CPU在 “系统态 ”运行换而言之虽然系统很忙碌但是CPU用在 “用户态 ”的比例较小应用程序得不到充分的 CPU资源。4.随着CPU数目的增多系统的性能反而下降。因为CPU数目多同时运行的线程就越多可能就会造成更频繁的线程上下文切换和系统态的CPU开销从而导致更糟糕的性能。上面的描述都是一个 scalability可扩展性很差的系统的表现。从整体的性能指标看由于线程热锁的存在程序的响应时间会变长吞吐量会降低。
那么怎么去了解 “热锁 ”出现在什么地方呢 一个重要的方法是 结合操作系统的各种工具观察系统资源使用状况以及收集Java线程的DUMP信息看线程都阻塞在什么方法上了解原因才能找到对应的解决方法。
4 JVM重要线程
JVM运行过程中产生的一些比较重要的线程罗列如下
