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JVM程序診斷利器——arthas介紹

阿新 • • 發佈：2018-12-23

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Arthas 是Alibaba開源的Java診斷工具，採用命令列互動模式，提供了豐富的功能，是排查jvm相關問題的利器。

在逛github時，發現了這款利器，深入瞭解之後，簡直驚為天人。下面先列舉一下它能做的一些事情：

  1. 提供效能看板，包括執行緒、cpu、記憶體等資訊，並且會定時的重新整理。
  2. 根據各種條件檢視執行緒快照。比如找出cpu佔用率最高的n個執行緒等
  3. 輸出jvm的各種資訊，如gc演算法、jdk版本、ClassPath等
  4. 檢視/設定sysprop和sysenv
  5. 檢視某個類的靜態屬性，也可以通過ognl語法執行一些語句
  6. 檢視已載入的類的詳細資訊，比如這個類從哪個jar包載入的。也可以檢視類的方法的資訊
  7. dump某個類的位元組碼到指定目錄
  8. 直接反編譯指定的類
  9. 檢視類載入器的一些資訊
  10. 可以讓jvm重新載入某個類
  11. 監控方法的執行，同時可以獲取到執行的入參、出參以及丟擲的異常
  12. 追蹤方法執行的呼叫棧，以及各個方法的呼叫時間

下面我會對如何使用這些功能做一個簡單的介紹，也會加上一些自己對這些命令的理解。有一些命令不會介紹的太詳細，因為官方文件已經寫的很棒了，我沒必要再這複述。想深入瞭解的朋友也可以直接去看arthas的官方文件，中文的，很容易閱讀。

https://alibaba.github.io/arthas/install-detail.html

一、安裝和使用arthas

官方文件：

https://alibaba.github.io/arthas/install-detail.html

安裝

直接通過`java -jar啟動:

wget https://alibaba.github.io/arthas/arthas-boot.jar
# 啟動後會自動下載響應的lib到 ~/.arthas 目錄下
java -jar arthas-boot.jar

或者直接下載arthas的壓縮包，然後解壓:

unzip arthas-packaging-bin.zip
# 執行
./as.sh

啟動asthas程序後，它會列出所有的jvm程序，並讓我們選擇要attach哪個程序。attach目標程序後，就進入athas的互動命令行了，這時候就可以開始輸入arthas對應的命令使用了

解除安裝

 rm -rf ~/.arthas/

二、athas的各個命令

1. dashboard

進入當前系統的實時資料面板，按 ctrl+c 退出。這個面板會實時重新整理，其中包括執行緒資訊、記憶體資訊、gc資訊、還有一些執行時的資料。

另外，當執行在Ali-tomcat時，會顯示當前tomcat的實時資訊，如HTTP請求的qps, rt, 錯誤數, 執行緒池資訊等等。

下面是arthas上面的一張demo圖

在這裡插入圖片描述

2. thread

通過thread命令可以檢視當前jvm程序的執行緒詳情。可以檢視執行緒的cpu使用時間佔比，通過指定各種引數可以找出最忙的幾個執行緒，以及阻塞其他執行緒的執行緒。具體如何使用這裡不多做介紹，大家可以去看arthas的官方文件。

3. jvm

通過jvm命令直接輸出當前jvm的各種資訊。

4. sysprop和sysenv

通過sysprop可以檢視所有的系統變數，也可以設定某個系統變數。

同理，通過sysenv可以檢視所有的作業系統環境變數，也可以檢視設定某個環境變數。

5. getstatic

通過該命令可以檢視類的靜態屬性。不過檢視類的靜態屬性ognl命令也可以做到，官方也比較推薦使用ognl表示式來做。

不過使用getstatic可以使用萬用字元來檢視變數，好像用ognl不行。（也可能是我對ognl表示式瞭解還不夠）

# 檢視CommonConstants類下的所有靜態屬性
getstatic *.CommonConstants *

6. ognl

通過ognl表示式來執行一些語句。

# 呼叫靜態函式
ognl '@[email protected]("hello")'
# 輸出
null

# 獲取靜態類的靜態欄位
ognl '@[email protected]'
# 輸出
@Random[
    serialVersionUID=@Long[3905348978240129619],
    seed=@AtomicLong[125451474443703],
    multiplier=@Long[25214903917],
    addend=@Long[11],
    mask=@Long[281474976710655],
    DOUBLE_UNIT=@Double[1.1102230246251565E-16],
    BadBound=@String[bound must be positive],
    BadRange=@String[bound must be greater than origin],
    BadSize=@String[size must be non-negative],
    seedUniquifier=@AtomicLong[-3282039941672302964],
    nextNextGaussian=@Double[0.0],
    haveNextNextGaussian=@Boolean[false],
    serialPersistentFields=@ObjectStreamField[][isEmpty=false;size=3],
    unsafe=@Unsafe[[email protected]],
    seedOffset=@Long[24],
]

# 執行多行表示式，賦值給臨時變數，返回一個List
ognl '#[email protected]@getProperty("java.home"),#[email protected]@getProperty("java.runtime.name"), {#value1, #value2}'
# 輸出
@ArrayList[
    @String[/opt/java/8.0.181-zulu/jre],
    @String[OpenJDK Runtime Environment],
]

ognl表示式在arthas中用的還是比較多的，語法也比較簡單。在後面的monitor、watch、trace、stack等命令中都會排上用場。

關於ognl，這個userCase上有豐富的案例：

https://github.com/alibaba/arthas/issues/11

7. sc 和 sm

通過sc可以檢視已載入類的相關資訊，比如該類是從哪個jar包載入的，被哪個類載入器載入的，以及是否是介面等等。

sm檢視已載入類的方法詳情。

8. dump

將已載入類的位元組碼dump到本地磁碟上。

9. jad

反編譯已載入的類。讓它變成可讀的形式。

有時我們經常會不確定線上或者測試環境的包是否是我們修改過的，這時候就可以通過jad反編譯來看下。

10. classloader

將 JVM 中所有的classloader的資訊統計出來，並可以展示繼承樹，urls等。

11. redefine

該命令可以載入外部的.class檔案，然後覆蓋 jvm已載入的類。注意，這個命令不一定都能覆蓋成功，如果添加了新的field，就不會載入成功。

關於redefine，arthas的github上有個非常經典的userCase：

https://github.com/alibaba/arthas/issues/263

大體就是作者遇到專案中的日誌一直輸出[] [] [] No credential found，想要找到是哪個類輸出的。由於大多數日誌框架輸出日誌時都用到了StringBuilder，因此作者對StringBuilder的toString方法做了以下修改：

    @Override
    public String toString() {
        // Create a copy, don't share the array
    	String result = new String(value, 0, count);
    	if(result.contains("No credential found")) {
    		System.err.println(result);
    		new Throwable().printStackTrace();
    	}
        return result;
    }

改完類之後再用redefine把修改後的StringBuilder載入進去，這樣，當後面繼續輸出[] [] [] No credential found就可以知道到底是從哪裡輸出的了。

12. monitor

monitor命令可以監控方法的執行情況。比如呼叫成功次數，失敗次數，失敗率、平均執行時間等等。預設120秒輸出一次，也就是說，當我們輸入monitor命令之後，每120秒就會輸出一次統計結果。

通過-c引數可以修改輸出頻率，支援萬用字元和正則表示式。

13. watch

讓你能方便的觀察到指定方法的呼叫情況。能觀察到的範圍為：返回值、丟擲異常、入參，通過編寫 OGNL 表示式進行對應變數的檢視。

watch的使用姿勢比較豐富，可以在四個不同的場景觀察方法的執行。比如方法呼叫之前、方法呼叫之後、方法異常之後、方法結束之後。預設觀察的是方法結束之後。

如果觀察的是方法結束之後的場景，由於入參可能在執行方法時被改變，所以此時輸出的可能不是真正的入參。因此，要看真正的入參，要看方法呼叫之前的，也就是加上-b的引數。

另外，使用-b引數觀察的話，則觀察不到方法返回的結果以及丟擲的異常了。

相關引數：

引數名稱 引數說明
class-pattern 類名錶達式匹配
method-pattern 方法名錶達式匹配
express 觀察表示式
condition-express 條件表示式
[b] 在方法呼叫之前觀察
[e] 在方法異常之後觀察
[s] 在方法返回之後觀察
[f] 在方法結束之後(正常返回和異常返回)觀察
[E] 開啟正則表示式匹配，預設為萬用字元匹配
[x:] 指定輸出結果的屬性遍歷深度，預設為 1
[n:] 只執行n次，預設會不斷輸出，除非使用者按下cltr+c 
# 觀察CommonTest的test方法
# 輸出 入參、返回結果、丟擲的異常 —— 輸出的內容可以動態調整
# 後面跟著的是 條件表示式，表示耗時超過10ms才輸出
# -n 表示只執行一次，-x表示 入參和返回結果的展開層次為5層
watch *.CommonTest test "{params,returnObj,throwExp}" '#cost>10' -x 5 -n 1

# 耗時大於10ms並且第一個引數等於1才輸出
watch *.CommonTest test "{params,returnObj,throwExp}" '#cost>10 && params[0]==1' -x 5 -n 1
# 第一個引數大於1 並且第二個引數等於hello才輸出
watch *.CommonTest test "{params,returnObj,throwExp}" 'params[0]>1 && params[1]=="hello"' -x 5 -n 1
# 第一個引數小於5或者第二個引數等於"world"就輸出
watch *.CommonTest test "{params,returnObj,throwExp}" 'params[0]<5 || params[1]=="wolrd"' -x 5 -n 1
# 第一個引數的name欄位等於world時才輸出。
# 由於在方法執行過程中引數的name屬性可能發生改變，因此加上-b才能觀察到真正的入參
watch -b *.CommonTest test "{params,returnObj,throwExp}" 'params[0].name=="wolrd"' -x 5 -n 1

# 由於同時指定了-s和-b，所以方法被呼叫一次，就會輸出2次結果(兩個場景分開輸出)，分別是方法被呼叫前，和返回之後
# 注意，這裡如果-n只設置成1，那麼只會輸出-b對應的輸出,-s對應的輸出由於沒有次數了就無法輸出了
watch *.CommonTest test '{params,returnObj,throwExp}' -x 5 -n 2 -s -b

在填寫條件表示式時要注意一點，條件表示式中的params預設都是獲取的方法執行完後的引數資訊，比如入參a的屬性name方法執行前是"hello",在方法執行後變成了"world",那麼條件表示式傳入'params[0].name="hello"'將不會輸出，只有填入'params[0].name="hello"'才可以匹配上。這點對於後面的trace、stack命令也是一樣的。

14. trace

方法內部呼叫路徑，並輸出方法路徑上的每個節點上耗時。但是該命令只能輸出一級呼叫的方法耗時，往下的就不會輸出了。比如我定義了一個類Test

public class Test{
    
    public void a(){
        b();
    }
    
    public void b(){
        c();
    }
    
    public void c(){
        //...
    }
}

當我要觀察Test a時，trace命令只會輸出b()的耗時，而不會輸出c()的耗時。因為對方法a來說，只有b()是一級呼叫。

trace命令也可以使用條件表示式，來過濾一些不想要的輸出

# 方法耗時大於100時才輸出，且只輸出1.其他條件過濾的語法可以看watch命令的demo
trace *.Common* test '#cost>100' -n 1

友情提醒下，trace 在執行的過程中本身是會有一定的效能開銷，在統計的報告中並未像 JProfiler 一樣預先減去其自身的統計開銷。所以這統計出來有些許的不準，渲染路徑上呼叫的類、方法越多，效能偏差越大。但還是能讓你看清一些事情的。

這裡存在一個統計不準確的問題，就是所有方法耗時加起來可能會小於該監測方法的總耗時，這個是由於 Arthas 本身的邏輯會有一定的耗時

15. stack

輸出當前方法被呼叫的呼叫路徑。用法和trace差不多

# 方法耗時大於100時才輸出，且只輸出1.其他條件過濾的語法可以看watch命令的demo
stack *.Common* test '#cost>100' -n 1

16. tt

tt命令會記錄每次方法呼叫的各種資訊。它和watch有些相似但是它能記錄下各個時間點的呼叫資訊，之後隨時檢視，甚至replay這次呼叫。

在這裡插入圖片描述

從上圖中我們可以看到，通過-i引數我們可以直接檢視之前某次呼叫的詳細資訊。

# 指定第一個引數的mobile欄位等於13989838402
tt -t *.CommonTest test params[0].mobile=="13989838402"
# 把之前記錄的那些呼叫都輸出來
tt -l
#

replay某次呼叫：

# replay時間片的index=1002這次呼叫
tt -i 1002 -p

使用tt進行方法replay時，要注意2點

  1. ThreadLocal 資訊丟失

    很多框架偷偷的將一些環境變數資訊塞到了發起呼叫執行緒的 ThreadLocal 中，由於呼叫執行緒發生了變化，這些 ThreadLocal 執行緒資訊無法通過 Arthas 儲存，所以這些資訊將會丟失。

    一些常見的 CASE 比如：鷹眼的 TraceId 等。

  2. 引用的物件

    需要強調的是，tt 命令是將當前環境的物件引用儲存起來，但僅僅也只能儲存一個引用而已。如果方法內部對入參進行了變更，或者返回的物件經過了後續的處理，那麼在 tt 檢視的時候將無法看到當時最準確的值。這也是為什麼 watch 命令存在的意義。

17. options

options用來開啟關閉某些功能:

名稱 預設值 描述
unsafe false 是否支援對系統級別的類進行增強，開啟該開關可能導致把JVM搞掛，請慎重選擇！
dump false 是否支援被增強了的類dump到外部檔案中，如果開啟開關，class檔案會被dump到/${application dir}/arthas-class-dump/目錄下，具體位置詳見控制檯輸出
batch-re-transform true 是否支援批量對匹配到的類執行retransform操作
json-format false 是否支援json化的輸出
disable-sub-class false 是否禁用子類匹配，預設在匹配目標類的時候會預設匹配到其子類，如果想精確匹配，可以關閉此開關
debug-for-asm false 列印ASM相關的除錯資訊
save-result false 是否開啟執行結果存日誌功能，開啟之後所有命令的執行結果都將儲存到/home/admin/logs/arthas/arthas.log中
job-timeout 1d 非同步後臺任務的預設超時時間，超過這個時間，任務自動停止；比如設定 1d, 2h, 3m, 25s，分別代表天、小時、分、秒 
$ options save-result true                                                                                         
 NAME         BEFORE-VALUE  AFTER-VALUE                                                                            
----------------------------------------                                                                           
 save-result  false         true

18. help

通過help命令可以檢視某個命令的使用詳情

help tt
help stack
...

三、遇到的一些問題

在使用arthas的過程中，會遇到一些問題，這裡做個記錄。

1. attach錯程序

在我們要去sc、jad某個類，發現arthas提示類沒載入，但是我們很確定類已經載入了。這時候就要檢查arthas attach的程序是不是我們目標的程序。在進入arthas互動介面時會輸出一些資訊，裡面就有真正attach的程序id：

在這裡插入圖片描述
在上圖我們可以看到，明明我選擇的是要attach 37179這個程序，但實際arthas attach的是26792這個程序。這是由於我們之前用arthas attach過26792這個程序，並且沒有執行 shutdown命令導致的。也就是說執行exit或者quit只會退出互動介面，不會關閉attach的arthas程序。

解決辦法

再次進入arthas互動介面，執行 shutdown 命令，之後重新attach新的程序即可。

四、總結

在以前，我們排查線上jvm程序時，用的命令無非就是jps、jstack、jmap、jstat、jhat這些jvm命令。但是這些命令能做的事都比較有限。有了arthas，我們可以在線上進行更加豐富的操作，對我們排查問題有很大的幫助。

另外，想學習arthas的話，建議不要只看文件，最好自己手動把所有命令都試一遍，印象會比較深刻，下次遇到類似的問題也可以及時想到這個工具。

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