深入理解JVM工具：Dynamic Attach和Serviceability Agent

深入理解JVM工具：Dynamic Attach和Serviceability Agent

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1 介绍

Java虚拟机（JVM）serviceability 工具，例如Dynamic Attach和Serviceability Agent，在复杂生产环境下管理java应用的重要工具。尽管二者都能观察JVM的内部行为，但是他们的工作场景却不相同。

在本教程中，我们会分析二者关键的不同和相似点。我们将完全理解二者的工作方式以及他们的优缺点。

我们会类似地看一个用例，该用例显示如何从其中获得好处。在本文末尾，我们会选择一个最适合我们的方案。我们会关注在一个长期的JVM发布版，jdk21，该版本的jdk有Generational ZGC

2. Dynamic Attach: 定义和特点

Dynamic Attach 允许工具或者代理能够在java运行时附在一个运行的java进程上。这个能力不需要应用程序提前配置或者重启。

这种机制使用Attach API去连接目标JVM，使得能够Java agents能够动态加载并且能够执行诊断命令。Dynamic Attach 提供一些特征，我们会在后面进行进一步阐述。

2.1. 实时诊断和监控

**通过Dynamic Attach, 我们能够建立一个对JVM进程的连接并可实时监控它的健康情况。**使用如jcmd, jConsole, 或者 VisualVM，我们能够深入开发一些针对JVM的不同的测量方法。这些方法包括内存开销，垃圾回收行为模式，线程状态和CPU使用。

这个功能能够在无需中断操作的情况下诊断性能点和检查瓶颈。除此之外，它允许问题领域的定义，例如占CPU资源或者频繁发生GC停止的线程开销。

2.2. 动态加载Agent

**Dynamici Attach的力量基于它能在一个运行的Java进程上动态加载Java agent的能力。**这些代理（agent）能够在运行时检查字节码，因此可以允许它们监控或者修改一个应用程序的行为。

在JDK21中允许代理的动态加载，尽管会伴随一个来自JVM的警告。在JDK21中，该特性是默认不启动的。开发者必须在启动应用程序的时候使用-XX:+EnableDynamincAgentLoading来启动该特性。

2.3. 最小性能开销

例如Attach API和jstack工具就使用了Dynamic Attach与运行程序之间产生交互。

它们能够使如下的行为可用，例如收集thread dumps, 收集垃圾回收日志和附加监控代理。这些工具被设计为最小化运行开销。

3. 一些Dynamic Attach的限制

有许多交互的复杂应用可能会降低诊断工具的速度或者消耗大量的资源。

更重要的是，在一些JVM的版本中，因为Attach API的支持不够会导致兼容问题。

尽管收集诊断数据，例如thread dump和垃圾回收日志，有诸多好处，他们过度地使用会与应用程序的性能相妥协。因此，为了防止系统因为过度的数据而导致奔溃应谨慎使用监控。

最后，某些环境下的访问权限控制可能会使得对限制访问某些确定的线程。

4. Serviceability Agent

Java虚拟机提供Serviceability Agent，它是一个对内部数据结构进行完全探测和评估的诊断工具。

4.1. 访问JVM的内部结构

Serviceability Agent为检查JVM的内部提供了一个有力的接口。包括对象内存布局，符号表，类加载器，线程状态，垃圾搜集信息，等。

这样的一个特性证明了当处理复杂的问题，那种无法通过外部的JVM测试工具定位时十分有效。

4.2. 事后调试

当一个JVM碰到一个奔溃，一般它会输出一段快照，这些快照包括了当时的状态，也就是著名的core dump

Serviceability Agent能够附加在core dump上并检查它的内容以确定崩溃的潜在原因。因此，SA对这样情况的事后分析是有效的。

4.3. 堆dump和对象分析

通过SA，用户能够深入分析堆dump以获得JVM的堆和对象信息。

该工具能够探测内存使用模式，对象和引用。

4.4. 线程和锁分析

Serviceability Agent提供了详细的线程状态，锁和异步问题。它能够定位死锁，阻塞或者等待线程，帮助诊断由线程或者锁导致的性能问题。

Administrator能够使用SA去侦测瓶颈并优化线程管理，确保应用程序性能更好。

5. AgentServiceability Agent的一些限制

这个agent能够导致性能的下降，特别当收集诊断信息时。这会在高负载的场景中影响到应用程序的响应速度。

除此之外，在严格控制访问权限的环境里，agent会面临一些限制。安全约束会阻止他们附加到某些进程上的能力。这会限制在生产环境里的使用。

6. 现实用例：诊断和解决内存泄漏

让我们考虑一个场景，对一个大的Java应用程序，内存泄漏会导致性能逐步下降。我们会看到我们如何应用Dynamic Attach和Serviceability Agent。

6.1. 用Dynaminc进行初步调查

我们采用一个三方策略，使用Dynamic Attach做初步调查。

第一步是用jcmd做一个堆dump。然后用JConsole监控内存和垃圾收集。

最后，采样agent通过VisualVM应用。这些步骤产生复杂和非干扰的行为，进一步窥测应用程序运行数据和内存分配数据。如果必要的话，这些数据将被用于分析。

6.2. Serviceability Agent的细节分析

**在细节分析阶段，我们使用Serviceability Agent进一步分析内存问题。**这个过程涉及以下三个步骤：dump分析，crash调查，和定制工具开发。

首先，我们分析已经产生的堆dumps以确定潜在的内存泄漏资源和对象保留模式。

第二，如果一个out-of-memory crash发生，core dump被分析以获得JVM的最终状态。

最后，我们开发一个定制的Serviceability Agent工具。这个工具会遍历堆并定位导致内存泄漏的对象类型或者模式。

这个方法论提供了具体的深入JVM内部关于复杂问题处理的步骤

6.3. 解决和验证

在定位和解决内存资源泄漏之后，我们实现了一种结构策略去阻止未来发生的情况。 这包括代理部署、使用JMX公开与先前泄漏的资源有关的自定义指标，以及持续监控。

通过这个策略，我们能够查看潜在复现或新的内存相关问题。

7. 总结

下表展示了二者的不同：

特点	Dynamic Attach	Serviceability Agent
实时监控	Yes	No
Dynamic Agent 加载	Yes	No
性能开销	被设计为最小化性能影响	当收集过多数据时会导致性能下降
操作范围	关注在运行的应用程序监控	包括运行的和非运行的分析
用例	监控，采样，立即诊断	深度分析，问题定位并解决，事后调试
数据访问性	只限于实时数据采集和分析	复杂JVM内部

这张表展示了Dynamic Attache和Serviceability Agent如何互相补充。前者时实时监控的理想模型而后者专注于JVM分析，特别是事后分析。

8. 结论

在本文中，我们深入了解了Dynamic Attach和Serviceability Agent在JVM中监控和处理问题的作用。

Serviceability Agent通过全面分析和事后调试提供了深入观察JVM内部的方法。另一方面，Dynamic Attach在立即诊断和低开销监控方面表现良好

尽管有一些限制，这两个工具依然能够加强JVM的性能和可靠性。