29、Java并发应用程序的测试与监控

Java并发应用程序的测试与监控

在Java并发编程中，了解并发对象的状态对于调试和优化应用程序至关重要。Java并发API提供了许多方法来监控各种并发对象，下面将详细介绍如何监控不同的并发对象。

1. 监控线程

线程是Java并发API中最基本的元素。 Thread 类提供了一些方法来获取线程的相关信息：
- getId() ：返回线程的唯一标识符，是一个长正整数。
- getName() ：返回线程的名称，默认格式为 Thread-xxx ，可以在构造函数或使用 setName() 方法修改。
- getPriority() ：返回线程的优先级，默认优先级为5，可以使用 setPriority() 方法修改。
- getState() ：返回线程的状态，返回值为 Enum Thread.State 类型，可能的值包括 NEW 、 RUNNABLE 、 BLOCKED 、 WAITING 、 TIMED_WAITING 和 TERMINATED 。
- getStackTrace() ：返回线程的调用栈，以 StackTraceElement 对象数组的形式返回。

以下是一个获取线程相关信息的示例代码：

System.out.println("**********************");
System.out.println("Id: " + thread.getId());
System.out.println("Name: " + thread.getName());
System.out.println("Priority: " + thread.getPriority());
System.out.println("Status: " + thread.getState());
System.out.println("Stack Trace");
for(StackTraceElement ste : thread.getStackTrace()) {
    System.out.println(ste);
}
System.out.println("**********************\n");

2. 监控锁

锁是Java并发API提供的基本同步元素之一，定义在 Lock 接口和 ReentrantLock 类中。 ReentrantLock 类提供了一些方法来获取锁的状态：
- getOwner() ：返回当前持有锁的线程对象。
- hasQueuedThreads() ：返回一个布尔值，指示是否有线程正在等待获取该锁。
- getQueueLength() ：返回等待获取该锁的线程数量。
- getQueuedThreads() ：返回一个 Collection<Thread> 对象，包含等待获取该锁的线程对象。
- isFair() ：返回一个布尔值，指示锁的公平属性状态。
- isLocked() ：返回一个布尔值，指示该锁是否被某个线程持有。
- getHoldCount() ：返回当前线程获取该锁的次数。

由于 getOwner() 和 getQueuedThreads() 方法是受保护的，无法直接访问。可以实现自己的 Lock 类来提供这些信息，例如：

public class MyLock extends ReentrantLock {
    private static final long serialVersionUID = 8025713657321635686L;
    public String getOwnerName() {
        if (this.getOwner() == null) {
            return "None";
        }
        return this.getOwner().getName();
    }
    public Collection<Thread> getThreads() {
        return this.getQueuedThreads();
    }
}

以下是一个获取锁相关信息的示例代码：

System.out.println("************************\n");
System.out.println("Owner : " + lock.getOwnerName());
System.out.println("Queued Threads: " + lock.hasQueuedThreads());
if (lock.hasQueuedThreads()) {
    System.out.println("Queue Length: " + lock.getQueueLength());
    System.out.println("Queued Threads: ");
    Collection<Thread> lockedThreads = lock.getThreads();
    for (Thread lockedThread : lockedThreads) {
        System.out.println(lockedThread.getName());
    }
}
System.out.println("Fairness: " + lock.isFair());
System.out.println("Locked: " + lock.isLocked());
System.out.println("Holds: "+lock.getHoldCount());
System.out.println("************************\n");

3. 监控执行器

执行器框架允许你执行并发任务，而无需担心线程的创建和管理。 ThreadPoolExecutor 类提供了一些方法来获取执行器的状态：
- getActiveCount() ：返回正在执行任务的线程数量。
- getCompletedTaskCount() ：返回已执行并完成的任务数量。
- getCorePoolSize() ：返回线程池的核心线程数。
- getLargestPoolSize() ：返回线程池中同时存在的最大线程数。
- getMaximumPoolSize() ：返回线程池中可以同时存在的最大线程数。
- getPoolSize() ：返回线程池当前的线程数。
- getTaskCount() ：返回已提交给执行器的任务数量，包括等待、运行和已完成的任务。
- isTerminated() ：如果调用了 shutdown() 或 shutdownNow() 方法，并且执行器已完成所有待执行任务，则返回 true ，否则返回 false 。
- isTerminating() ：如果调用了 shutdown() 或 shutdownNow() 方法，但执行器仍在执行任务，则返回 true ，否则返回 false 。

以下是一个获取 ThreadPoolExecutor 相关信息的示例代码：

System.out.println("*******************************************");
System.out.println("Active Count: "+executor.getActiveCount());
System.out.println("Completed Task Count: "+executor.getCompletedTaskCount());
System.out.println("Core Pool Size: "+executor.getCorePoolSize());
System.out.println("Largest Pool Size: "+executor.getLargestPoolSize());
System.out.println("Maximum Pool Size: "+executor.getMaximumPoolSize());
System.out.println("Pool Size: "+executor.getPoolSize());
System.out.println("Task Count: "+executor.getTaskCount());
System.out.println("Terminated: "+executor.isTerminated());
System.out.println("Is Terminating: "+executor.isTerminating());
System.out.println("*******************************************");

4. 监控Fork/Join框架

Fork/Join框架为可以使用分治技术实现的算法提供了一种特殊的执行器。 ForkJoinPool 类提供了一些方法来获取其状态：
- getParallelism() ：返回为线程池设置的期望并行级别。
- getPoolSize() ：返回线程池中的线程数量。
- getActiveThreadCount() ：返回当前正在执行任务的线程数量。
- getRunningThreadCount() ：返回不等待子任务完成的线程数量。
- getQueuedSubmissionCount() ：返回已提交到线程池但尚未开始执行的任务数量。
- getQueuedTaskCount() ：返回线程池工作窃取队列中的任务数量。
- hasQueuedSubmissions() ：如果有已提交到线程池但尚未开始执行的任务，则返回 true ，否则返回 false 。
- getStealCount() ：返回Fork/Join池执行工作窃取算法的次数。
- isTerminated() ：如果Fork/Join池已完成执行，则返回 true ，否则返回 false 。

以下是一个获取 ForkJoinPool 相关信息的示例代码：

System.out.println("**********************");
System.out.println("Parallelism: "+pool.getParallelism());
System.out.println("Pool Size: "+pool.getPoolSize());
System.out.println("Active Thread Count: "+pool.getActiveThreadCount());
System.out.println("Running Thread Count: "+pool.getRunningThreadCount());
System.out.println("Queued Submission: "+pool.getQueuedSubmissionCount());
System.out.println("Queued Tasks: "+pool.getQueuedTaskCount());
System.out.println("Queued Submissions: "+pool.hasQueuedSubmissions());
System.out.println("Steal Count: "+pool.getStealCount());
System.out.println("Terminated : "+pool.isTerminated());
System.out.println("**********************");

5. 监控Phaser

Phaser 是一种同步机制，允许你执行可以分为多个阶段的任务。 Phaser 类提供了一些方法来获取其状态：
- getArrivedParties() ：返回已完成当前阶段的注册方数量。
- getUnarrivedParties() ：返回尚未完成当前阶段的注册方数量。
- getPhase() ：返回当前阶段的编号，第一个阶段的编号为0。
- getRegisteredParties() ：返回 Phaser 中注册的方数量。
- isTerminated() ：返回一个布尔值，指示 Phaser 是否已完成执行。

以下是一个获取 Phaser 相关信息的示例代码：

System.out.println("*******************************************");
System.out.println("Arrived Parties: "+phaser.getArrivedParties());
System.out.println("Unarrived Parties: "+phaser.getUnarrivedParties());
System.out.println("Phase: "+phaser.getPhase());
System.out.println("Registered Parties: "+phaser.getRegisteredParties());
System.out.println("Terminated: "+phaser.isTerminated());
System.out.println("*******************************************");

6. 监控流

Java 8引入的流机制允许你以并发方式处理大量数据。流类除了 isParallel() 方法（用于指示流是否为并行流）外，没有提供其他方法来获取流的状态，但提供了 peek() 方法，可以在方法管道中记录流操作或转换的日志信息。

以下是一个计算前999个数字平方的平均值的示例代码：

double result=IntStream.range(0,1000)
    .parallel()
    .peek(n -> System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": Number "+n))
    .map(n -> n*n)
    .peek(n -> System.out.println(Thread.currentThread().getName()+": Transformer "+n))
    .average()
    .getAsDouble();

7. 监控并发应用程序

JDK提供了一些工具来编译、执行和生成Javadoc文档，其中 Java VisualVM 是一个图形化工具，可以显示JVM中正在执行的应用程序的信息。可以在JDK安装目录的 bin 目录中找到 jvisualvm.exe ，也可以为Eclipse安装插件（ Eclipse launcher for VisualVM ）来集成其功能。

启动 Java VisualVM 后，在屏幕左侧的 Applications 选项卡中可以看到当前用户在系统中运行的所有Java应用程序。双击某个应用程序，将显示五个选项卡：
- Overview ：显示应用程序的一般信息，包括PID、主机名、主类、参数、JVM版本、Java版本、Java Home、JVM标志、JVM参数和系统属性。
- Monitor ：以图形方式显示应用程序使用的CPU、内存、类和线程信息。可以通过右上角的复选框选择要查看的信息，还可以使用 Perform GC 按钮立即执行垃圾回收，使用 Heap Dump 按钮保存应用程序的当前状态。
- Threads ：显示应用程序线程随时间的演变，包括活动线程数、守护线程数和线程状态的时间线。点击 Thread Dump 按钮可以查看每个线程的堆栈跟踪信息。
- Sampler ：显示应用程序对内存和CPU的使用信息，与 Profiler 选项卡类似，但获取数据的方式不同。
- Profiler ：显示应用程序对内存和CPU的使用信息，与 Sampler 选项卡类似，但获取数据的方式不同。

监控对象方法总结

监控对象	方法	描述
线程	getId()	返回线程的唯一标识符
线程	getName()	返回线程的名称
线程	getPriority()	返回线程的优先级
线程	getState()	返回线程的状态
线程	getStackTrace()	返回线程的调用栈
锁	getOwner()	返回当前持有锁的线程对象
锁	hasQueuedThreads()	指示是否有线程正在等待获取该锁
锁	getQueueLength()	返回等待获取该锁的线程数量
锁	getQueuedThreads()	返回等待获取该锁的线程对象集合
锁	isFair()	指示锁的公平属性状态
锁	isLocked()	指示该锁是否被某个线程持有
锁	getHoldCount()	返回当前线程获取该锁的次数
执行器	getActiveCount()	返回正在执行任务的线程数量
执行器	getCompletedTaskCount()	返回已执行并完成的任务数量
执行器	getCorePoolSize()	返回线程池的核心线程数
执行器	getLargestPoolSize()	返回线程池中同时存在的最大线程数
执行器	getMaximumPoolSize()	返回线程池中可以同时存在的最大线程数
执行器	getPoolSize()	返回线程池当前的线程数
执行器	getTaskCount()	返回已提交给执行器的任务数量
执行器	isTerminated()	指示执行器是否已完成所有待执行任务
执行器	isTerminating()	指示执行器是否正在关闭但仍在执行任务
Fork/Join框架	getParallelism()	返回线程池的期望并行级别
Fork/Join框架	getPoolSize()	返回线程池中的线程数量
Fork/Join框架	getActiveThreadCount()	返回当前正在执行任务的线程数量
Fork/Join框架	getRunningThreadCount()	返回不等待子任务完成的线程数量
Fork/Join框架	getQueuedSubmissionCount()	返回已提交但尚未开始执行的任务数量
Fork/Join框架	getQueuedTaskCount()	返回线程池工作窃取队列中的任务数量
Fork/Join框架	hasQueuedSubmissions()	指示是否有已提交但尚未开始执行的任务
Fork/Join框架	getStealCount()	返回Fork/Join池执行工作窃取算法的次数
Fork/Join框架	isTerminated()	指示Fork/Join池是否已完成执行
Phaser	getArrivedParties()	返回已完成当前阶段的注册方数量
Phaser	getUnarrivedParties()	返回尚未完成当前阶段的注册方数量
Phaser	getPhase()	返回当前阶段的编号
Phaser	getRegisteredParties()	返回Phaser中注册的方数量
Phaser	isTerminated()	指示Phaser是否已完成执行

监控流程

graph LR
    A[选择监控对象] --> B{对象类型}
    B -- 线程 --> C[使用线程监控方法]
    B -- 锁 --> D[使用锁监控方法]
    B -- 执行器 --> E[使用执行器监控方法]
    B -- Fork/Join框架 --> F[使用Fork/Join框架监控方法]
    B -- Phaser --> G[使用Phaser监控方法]
    B -- 流 --> H[使用流监控方法]
    B -- 应用程序 --> I[使用Java VisualVM监控]
    C --> J[获取线程信息]
    D --> K[获取锁信息]
    E --> L[获取执行器信息]
    F --> M[获取Fork/Join框架信息]
    G --> N[获取Phaser信息]
    H --> O[获取流信息]
    I --> P[选择应用程序]
    P --> Q{选择选项卡}
    Q -- Overview --> R[查看一般信息]
    Q -- Monitor --> S[查看图形信息]
    Q -- Threads --> T[查看线程演变信息]
    Q -- Sampler --> U[查看内存和CPU使用信息]
    Q -- Profiler --> V[查看内存和CPU使用信息]

通过以上方法和工具，可以有效地监控Java并发应用程序，及时发现和解决问题，提高应用程序的性能和稳定性。

各监控选项卡详细信息

1. Overview选项卡

Overview选项卡提供了应用程序的一般信息，这些信息对于了解应用程序的运行环境和配置非常有帮助。具体信息如下：
| 信息类型 | 描述 |
| — | — |
| PID | 应用程序的进程ID，用于唯一标识该应用程序在系统中的进程。 |
| 主机名 | 执行应用程序的机器名称。 |
| 主类 | 实现 main() 方法的类的完整名称，即应用程序的入口类。 |
| 参数 | 传递给应用程序的参数列表。 |
| JVM版本 | 执行应用程序的JVM版本。 |
| Java版本 | 运行应用程序的Java版本。 |
| Java Home | 系统中JDK的安装位置。 |
| JVM标志 | 与JVM一起使用的标志，用于配置JVM的行为。 |
| JVM参数 | 传递给JVM以执行应用程序的参数。 |
| 系统属性 | 系统的属性及其值，可以通过 System.getProperties() 方法获取。 |

2. Monitor选项卡

Monitor选项卡以图形化的方式展示了应用程序对CPU、内存、类和线程的使用情况，有助于直观地了解应用程序的资源消耗情况。
- CPU图形 ：显示应用程序使用的CPU百分比，通过观察该图形可以了解应用程序的CPU负载情况。
- Heap图形 ：展示了堆内存的总大小以及应用程序使用的堆内存大小。同时，也可以看到关于Metaspace（JVM用于存储类的内存区域）的相同信息。
- Classes图形 ：显示应用程序使用的类的数量。
- Threads图形 ：显示应用程序内部正在运行的线程数量。

此外，该选项卡还提供了两个按钮：
- Perform GC ：立即在应用程序中执行一次垃圾回收，有助于释放不再使用的内存。
- Heap Dump ：允许保存应用程序的当前状态，以便后续分析。保存后会出现一个新的选项卡，其中包含了堆转储的详细信息，可以通过不同的子选项卡查看应用程序在堆转储时刻的状态。

3. Threads选项卡

Threads选项卡展示了应用程序线程随时间的演变情况，提供了以下重要信息：
- 活动线程数 ：应用程序中当前存在的线程数量。
- 守护线程数 ：应用程序中被标记为守护线程的线程数量。
- 时间线 ：展示了线程随时间的状态变化，使用颜色代码表示线程的不同状态，同时显示线程的运行时间和存在时间。在“Total”列的右侧有一个箭头，点击后可以选择要显示的列。

该选项卡还提供了 Thread Dump 按钮，点击后会出现一个新的选项卡，其中包含了应用程序中每个正在运行的线程的堆栈跟踪信息，有助于分析线程的执行情况和排查问题。

4. Sampler和Profiler选项卡

Sampler和Profiler选项卡都用于显示应用程序对内存和CPU的使用信息，但它们获取数据的方式不同。这两个选项卡可以帮助开发者了解应用程序的性能瓶颈，找出哪些部分消耗了大量的内存或CPU资源。

Java VisualVM使用步骤

使用Java VisualVM监控Java并发应用程序的步骤如下：
1. 启动Java VisualVM ：在JDK安装目录的 bin 目录中找到 jvisualvm.exe 并启动。如果使用Eclipse，可以安装 Eclipse launcher for VisualVM 插件来集成其功能。
2. 选择应用程序 ：在屏幕左侧的 Applications 选项卡中，找到并双击要监控的Java应用程序。
3. 查看信息 ：根据需要选择不同的选项卡查看应用程序的相关信息，如Overview选项卡查看一般信息，Monitor选项卡查看图形化的资源使用信息等。
4. 执行操作 ：在Monitor选项卡中，可以使用 Perform GC 按钮执行垃圾回收，使用 Heap Dump 按钮保存应用程序的当前状态；在Threads选项卡中，点击 Thread Dump 按钮查看线程的堆栈跟踪信息。

总结

在Java并发编程中，对并发对象和应用程序进行有效的监控是非常重要的。通过使用Java并发API提供的各种方法，可以监控线程、锁、执行器、Fork/Join框架、Phaser和流等并发对象的状态，及时发现潜在的问题。同时，Java VisualVM作为一个强大的图形化工具，提供了丰富的信息和功能，帮助开发者直观地了解应用程序的运行情况，进行性能分析和问题排查。

监控方法对比

监控方式	优点	缺点	适用场景
Java并发API方法	代码层面监控，可精确获取对象状态；可集成到应用程序中实时监控	需要编写代码，不够直观；只能获取特定对象的信息	开发过程中对特定并发对象进行详细监控
Java VisualVM	图形化界面，直观展示应用程序整体信息；提供多种监控维度	无法深入到代码细节；可能会对应用程序性能产生一定影响	运行时对应用程序进行全面监控和性能分析

监控决策流程

graph LR
    A[发现问题或需要监控] --> B{问题类型}
    B -- 特定对象状态 --> C[使用Java并发API方法]
    B -- 应用程序整体性能 --> D[使用Java VisualVM]
    C --> E[编写代码获取对象信息]
    D --> F[启动Java VisualVM]
    F --> G[选择应用程序]
    G --> H{选择监控维度}
    H -- Overview --> I[查看一般信息]
    H -- Monitor --> J[查看图形信息]
    H -- Threads --> K[查看线程演变信息]
    H -- Sampler --> L[查看内存和CPU使用信息]
    H -- Profiler --> M[查看内存和CPU使用信息]

通过合理选择监控方式和工具，开发者可以更好地掌握Java并发应用程序的运行状态，提高应用程序的性能和稳定性。在实际开发和运维过程中，应根据具体需求和场景灵活运用这些监控方法和工具。