调试排错 - Java Thread Dump分析

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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。

操作系统命令获取ThreadDump
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。
JVM 自带的工具获取线程堆栈

2. Thread Dump分析

2.1 Thread Dump信息

头部信息：时间，JVM信息
线程INFO信息块：
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。
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：
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：
解释如下：

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：

NEW
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。
RUNNABLE
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）。
BLOCKED
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。
WAITING
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。
TERMINATED
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

Wait 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)。
此时线程状态大致为以下几种：
Waiting 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：
这时有两种可能性：
- 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。
- 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：
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：
JDK 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

显示BLOCKED状态
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：
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。
显示WAITING状态
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。
显示TIMED_WAITING状态
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。

3. 案例分析

3.1 问题场景

CPU飙高，load高，响应很慢
1. 一个请求过程中多次dump；
2. 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；
查找占用CPU最多的线程
1. 使用命令：top -H -p pid（pid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；
2. 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；
CPU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；
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：

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：

3.3 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：

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。
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。
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。
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：

5. 分析工具

http://spotify.github.io/threaddump-analyzer/

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