发布时间:2022-12-27 文章分类:编程知识 投稿人:李佳 字号: 默认 | | 超大 打印

摘要:Thread Dump是非常有用的诊断Java应用问题的工具。

本文分享自华为云社区《调试排错 - Java 线程分析之线程Dump分析》,作者:龙哥手记。

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。

Thread Dump特点

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。

ps –ef | grep java
kill -3 <pid>

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。

jps 或 ps –ef | grep java (获取PID)
jstack [-l ] <pid> | tee -a jstack.log(获取ThreadDump)

Thread Dump分析

Thread Dump信息

2011-11-02 19:05:06
Full thread dump Java HotSpot(TM) Server VM (16.3-b01 mixed mode): 
1. "Timer-0" daemon prio=10 tid=0xac190c00 nid=0xaef 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id:tid=0xac190c00,JVM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id(NativeThread ID):nid=0xaef,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。

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 thread's execution wassuspended by java.lang.Thread.suspend() or a JVMTI agent call.

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> 
        *  
        * <p>A thread in the waiting state is waiting for another thread to 
        * perform a particular action.   
        * 
        * For example, a thread that has called <tt>Object.wait()</tt> 
        * on an object is waiting for another thread to call  
        * <tt>Object.notify()</tt> or <tt>Object.notifyAll()</tt> on  
        * that object. A thread that has called <tt>Thread.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;  
}

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。

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)。

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。

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。 TIMED_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。

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。

关键状态分析

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)。

此时线程状态大致为以下几种:

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。

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:

详解JAVA线程问题诊断工具Thread Dump

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:

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" prio=10 tid=0x08222eb0 nid=0x9 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" prio=10 tid=0x08223250 nid=0xa 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。

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。

关键状态示例

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" prio=6 tid=0x00856c00 nid=0x1314 waiting on condition [0x00000000]  
java.lang.Thread.State: RUNNABLE  
"t2" prio=6 tid=0x27d7a800 nid=0x1350 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" prio=6 tid=0x27d79400 nid=0x1338 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
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" prio=6 tid=0x00856c00 nid=0x1734 waiting on condition [0x00000000]  
java.lang.Thread.State: RUNNABLE  
"t2" prio=6 tid=0x27d7e000 nid=0x17f4 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" prio=6 tid=0x27d7d400 nid=0x17f0 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$1.run(WaitingState.java:26)  
     - locked <0x1cfcdc00> (a java.lang.Object)  
     at java.lang.Thread.run(Thread.java:662)  
可以发现t1和t2都处在WAITING (on object monitor),进入等待状态的原因是调用了in Object.wait()。通过J.U.C包下的锁和条件队列,也是这个效果,大家可以自己实践下。
package jstack;
import java.util.concurrent.TimeUnit;  
import java.util.concurrent.locks.Condition;  
import java.util.concurrent.locks.Lock;  
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;  
public class TimedWaitingState  
{  
    // java的显示锁,类似java对象内置的监视器  
    private static Lock lock = new ReentrantLock();  
    // 锁关联的条件队列(类似于object.wait)  
    private static Condition condition = lock.newCondition();  
    public static void main(String[] args)  
    {  
        Runnable task = new Runnable() {  
            @Override  
            public void run()  
            {  
                // 加锁,进入临界区  
                lock.lock();  
                try  
                {  
                    condition.await(5, TimeUnit.MINUTES);  
                } catch (InterruptedException e)  
                {  
                    e.printStackTrace();  
                }  
                // 解锁,退出临界区  
                lock.unlock();  
            }  
        };  
        new Thread(task, "t1").start();  
        new Thread(task, "t2").start();  
    }  
} 
Full thread dump Java HotSpot(TM) Server VM (20.12-b01 mixed mode):  
"DestroyJavaVM" prio=6 tid=0x00856c00 nid=0x169c waiting on condition [0x00000000]  
java.lang.Thread.State: RUNNABLE  
"t2" prio=6 tid=0x27d7d800 nid=0xc30 waiting on condition [0x2833f000]  
java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (parking)  
     at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)  
     - parking to wait for  <0x1cfce5b8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$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$1.run(TimedWaitingState.java:28)  
     at java.lang.Thread.run(Thread.java:662)  
"t1" prio=6 tid=0x280d0c00 nid=0x16e0 waiting on condition [0x282ef000]  
java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (parking)  
     at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)  
     - parking to wait for  <0x1cfce5b8> (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$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)  
可以看到t1和t2线程都处在java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (parking),这个parking代表是调用的JUC下的工具类,而不是java默认的监视器。

案例分析

问题场景

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;

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!

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" prio=5 tid=0x00acc490 nid=0xe50 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" prio=5 tid=0x00accdb0 nid=0xdec 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-0" 
"Thread-0": 
waiting to lock monitor 0x0003f314 (object 0x22c19f20, a java.lang.Object), 
which is held by "Thread-1"

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:

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。

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:

详解JAVA线程问题诊断工具Thread Dump

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