JVM进程诊断利器——arthas介绍

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Arthas 是Alibaba开源的Java诊断工具，采用命令行交互模式，提供了丰富的功能，是排查jvm相关问题的利器。

在逛github时，发现了这款利器，深入了解之后，简直惊为天人。下面先列举一下它能做的一些事情：

1. 提供性能看板，包括线程、cpu、内存等信息，并且会定时的刷新。
2. 根据各种条件查看线程快照。比如找出cpu占用率最高的n个线程等
3. 输出jvm的各种信息，如gc算法、jdk版本、ClassPath等
4. 查看/设置sysprop和sysenv
5. 查看某个类的静态属性，也可以通过ognl语法执行一些语句
6. 查看已加载的类的详细信息，比如这个类从哪个jar包加载的。也可以查看类的方法的信息
7. dump某个类的字节码到指定目录
8. 直接反编译指定的类
9. 查看类加载器的一些信息
10. 可以让jvm重新加载某个类
11. 监控方法的执行，同时可以获取到执行的入参、出参以及抛出的异常
12. 追踪方法执行的调用栈，以及各个方法的调用时间

下面我会对如何使用这些功能做一个简单的介绍，也会加上一些自己对这些命令的理解。有一些命令不会介绍的太详细，因为官方文档已经写的很棒了，我没必要再这复述。想深入了解的朋友也可以直接去看arthas的官方文档，中文的，很容易阅读。

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

一、安装和使用arthas

官方文档：

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

安装

直接通过`java -jar启动:

wget https://alibaba.github.io/arthas/arthas-boot.jar
# 启动后会自动下载响应的lib到 ~/.arthas 目录下
java -jar arthas-boot.jar

或者直接下载arthas的压缩包，然后解压:

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

启动asthas进程后，它会列出所有的jvm进程，并让我们选择要attach哪个进程。attach目标进程后，就进入athas的交互命令行了，这时候就可以开始输入arthas对应的命令使用了

卸载

 rm -rf ~/.arthas/

二、athas的各个命令

1. dashboard

进入当前系统的实时数据面板，按 ctrl+c 退出。这个面板会实时刷新，其中包括线程信息、内存信息、gc信息、还有一些运行时的数据。

另外，当运行在Ali-tomcat时，会显示当前tomcat的实时信息，如HTTP请求的qps, rt, 错误数, 线程池信息等等。

下面是arthas上面的一张demo图

2. thread

通过thread命令可以查看当前jvm进程的线程详情。可以查看线程的cpu使用时间占比，通过指定各种参数可以找出最忙的几个线程，以及阻塞其他线程的线程。具体如何使用这里不多做介绍，大家可以去看arthas的官方文档。

3. jvm

通过jvm命令直接输出当前jvm的各种信息。

4. sysprop和sysenv

通过sysprop可以查看所有的系统变量，也可以设置某个系统变量。

同理，通过sysenv可以查看所有的操作系统环境变量，也可以查看设置某个环境变量。

5. getstatic

通过该命令可以查看类的静态属性。不过查看类的静态属性ognl命令也可以做到，官方也比较推荐使用ognl表达式来做。

不过使用getstatic可以使用通配符来查看变量，好像用ognl不行。（也可能是我对ognl表达式了解还不够）

# 查看CommonConstants类下的所有静态属性
getstatic *.CommonConstants *

6. ognl

通过ognl表达式来执行一些语句。

# 调用静态函数
ognl '@[email protected]("hello")'
# 输出
null

# 获取静态类的静态字段
ognl '@demo.MathGame@random'
# 输出
@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[sun.misc.Unsafe@28ea5898],
    seedOffset=@Long[24],
]

# 执行多行表达式，赋值给临时变量，返回一个List
ognl '#value1=@System@getProperty("java.home"),#value2=@System@getProperty("java.runtime.name"), {#value1, #value2}'
# 输出
@ArrayList[
    @String[/opt/java/8.0.181-zulu/jre],
    @String[OpenJDK Runtime Environment],
]

ognl表达式在arthas中用的还是比较多的，语法也比较简单。在后面的monitor、watch、trace、stack等命令中都会排上用场。

关于ognl，这个userCase上有丰富的案例：

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

7. sc 和 sm

通过sc可以查看已加载类的相关信息，比如该类是从哪个jar包加载的，被哪个类加载器加载的，以及是否是接口等等。

sm查看已加载类的方法详情。

8. dump

将已加载类的字节码dump到本地磁盘上。

9. jad

反编译已加载的类。让它变成可读的形式。

有时我们经常会不确定线上或者测试环境的包是否是我们修改过的，这时候就可以通过jad反编译来看下。

10. classloader

将 JVM 中所有的classloader的信息统计出来，并可以展示继承树，urls等。

11. redefine

该命令可以加载外部的.class文件，然后覆盖 jvm已加载的类。注意，这个命令不一定都能覆盖成功，如果添加了新的field，就不会加载成功。

关于redefine，arthas的github上有个非常经典的userCase：

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

大体就是作者遇到项目中的日志一直输出[] [] [] No credential found，想要找到是哪个类输出的。由于大多数日志框架输出日志时都用到了StringBuilder，因此作者对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;
    }

改完类之后再用redefine把修改后的StringBuilder加载进去，这样，当后面继续输出[] [] [] No credential found就可以知道到底是从哪里输出的了。

12. monitor

monitor命令可以监控方法的执行情况。比如调用成功次数，失败次数，失败率、平均执行时间等等。默认120秒输出一次，也就是说，当我们输入monitor命令之后，每120秒就会输出一次统计结果。

通过-c参数可以修改输出频率，支持通配符和正则表达式。

13. watch

让你能方便的观察到指定方法的调用情况。能观察到的范围为：返回值、抛出异常、入参，通过编写 OGNL 表达式进行对应变量的查看。

watch的使用姿势比较丰富，可以在四个不同的场景观察方法的执行。比如方法调用之前、方法调用之后、方法异常之后、方法结束之后。默认观察的是方法结束之后。

如果观察的是方法结束之后的场景，由于入参可能在执行方法时被改变，所以此时输出的可能不是真正的入参。因此，要看真正的入参，要看方法调用之前的，也就是加上-b的参数。

另外，使用-b参数观察的话，则观察不到方法返回的结果以及抛出的异常了。

相关参数：

参数名称	参数说明
class-pattern	类名表达式匹配
method-pattern	方法名表达式匹配
express	观察表达式
condition-express	条件表达式
[b]	在方法调用之前观察
[e]	在方法异常之后观察
[s]	在方法返回之后观察
[f]	在方法结束之后(正常返回和异常返回)观察
[E]	开启正则表达式匹配，默认为通配符匹配
[x:]	指定输出结果的属性遍历深度，默认为 1
[n:]	只执行n次，默认会不断输出，除非用户按下cltr+c

# 观察CommonTest的test方法
# 输出 入参、返回结果、抛出的异常 —— 输出的内容可以动态调整
# 后面跟着的是 条件表达式，表示耗时超过10ms才输出
# -n 表示只执行一次，-x表示 入参和返回结果的展开层次为5层
watch *.CommonTest test "{params,returnObj,throwExp}" '#cost>10' -x 5 -n 1

# 耗时大于10ms并且第一个参数等于1才输出
watch *.CommonTest test "{params,returnObj,throwExp}" '#cost>10 && params[0]==1' -x 5 -n 1
# 第一个参数大于1 并且第二个参数等于hello才输出
watch *.CommonTest test "{params,returnObj,throwExp}" 'params[0]>1 && params[1]=="hello"' -x 5 -n 1
# 第一个参数小于5或者第二个参数等于"world"就输出
watch *.CommonTest test "{params,returnObj,throwExp}" 'params[0]<5 || params[1]=="wolrd"' -x 5 -n 1
# 第一个参数的name字段等于world时才输出。
# 由于在方法执行过程中参数的name属性可能发生改变，因此加上-b才能观察到真正的入参
watch -b *.CommonTest test "{params,returnObj,throwExp}" 'params[0].name=="wolrd"' -x 5 -n 1

# 由于同时指定了-s和-b，所以方法被调用一次，就会输出2次结果(两个场景分开输出)，分别是方法被调用前，和返回之后
# 注意，这里如果-n只设置成1，那么只会输出-b对应的输出,-s对应的输出由于没有次数了就无法输出了
watch *.CommonTest test '{params,returnObj,throwExp}' -x 5 -n 2 -s -b

在填写条件表达式时要注意一点，条件表达式中的params默认都是获取的方法执行完后的参数信息，比如入参a的属性name方法执行前是"hello",在方法执行后变成了"world",那么条件表达式传入'params[0].name="hello"'将不会输出，只有填入'params[0].name="hello"'才可以匹配上。这点对于后面的trace、stack命令也是一样的。

14. trace

方法内部调用路径，并输出方法路径上的每个节点上耗时。但是该命令只能输出一级调用的方法耗时，往下的就不会输出了。比如我定义了一个类Test

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

当我要观察Test a时，trace命令只会输出b()的耗时，而不会输出c()的耗时。因为对方法a来说，只有b()是一级调用。

trace命令也可以使用条件表达式，来过滤一些不想要的输出

# 方法耗时大于100时才输出，且只输出1.其他条件过滤的语法可以看watch命令的demo
trace *.Common* test '#cost>100' -n 1

友情提醒下，trace 在执行的过程中本身是会有一定的性能开销，在统计的报告中并未像 JProfiler 一样预先减去其自身的统计开销。所以这统计出来有些许的不准，渲染路径上调用的类、方法越多，性能偏差越大。但还是能让你看清一些事情的。

这里存在一个统计不准确的问题，就是所有方法耗时加起来可能会小于该监测方法的总耗时，这个是由于 Arthas 本身的逻辑会有一定的耗时

15. stack

输出当前方法被调用的调用路径。用法和trace差不多

# 方法耗时大于100时才输出，且只输出1.其他条件过滤的语法可以看watch命令的demo
stack *.Common* test '#cost>100' -n 1

16. tt

tt命令会记录每次方法调用的各种信息。它和watch有些相似但是它能记录下各个时间点的调用信息，之后随时查看，甚至replay这次调用。

从上图中我们可以看到，通过-i参数我们可以直接查看之前某次调用的详细信息。

# 指定第一个参数的mobile字段等于13989838402
tt -t *.CommonTest test params[0].mobile=="13989838402"
# 把之前记录的那些调用都输出来
tt -l
# 

replay某次调用：

# replay时间片的index=1002这次调用
tt -i 1002 -p

使用tt进行方法replay时，要注意2点

1. ThreadLocal 信息丢失

   很多框架偷偷的将一些环境变量信息塞到了发起调用线程的 ThreadLocal 中，由于调用线程发生了变化，这些 ThreadLocal 线程信息无法通过 Arthas 保存，所以这些信息将会丢失。

   一些常见的 CASE 比如：鹰眼的 TraceId 等。

2. 引用的对象

   需要强调的是，tt 命令是将当前环境的对象引用保存起来，但仅仅也只能保存一个引用而已。如果方法内部对入参进行了变更，或者返回的对象经过了后续的处理，那么在 tt 查看的时候将无法看到当时最准确的值。这也是为什么 watch 命令存在的意义。

17. options

options用来打开关闭某些功能:

名称	默认值	描述
unsafe	false	是否支持对系统级别的类进行增强，打开该开关可能导致把JVM搞挂，请慎重选择！
dump	false	是否支持被增强了的类dump到外部文件中，如果打开开关，class文件会被dump到/${application dir}/arthas-class-dump/目录下，具体位置详见控制台输出
batch-re-transform	true	是否支持批量对匹配到的类执行retransform操作
json-format	false	是否支持json化的输出
disable-sub-class	false	是否禁用子类匹配，默认在匹配目标类的时候会默认匹配到其子类，如果想精确匹配，可以关闭此开关
debug-for-asm	false	打印ASM相关的调试信息
save-result	false	是否打开执行结果存日志功能，打开之后所有命令的运行结果都将保存到/home/admin/logs/arthas/arthas.log中
job-timeout	1d	异步后台任务的默认超时时间，超过这个时间，任务自动停止；比如设置 1d, 2h, 3m, 25s，分别代表天、小时、分、秒

$ options save-result true                                                                                         
 NAME         BEFORE-VALUE  AFTER-VALUE                                                                            
----------------------------------------                                                                           
 save-result  false         true

18. help

通过help命令可以查看某个命令的使用详情

help tt
help stack
...

三、遇到的一些问题

在使用arthas的过程中，会遇到一些问题，这里做个记录。

1. attach错进程

在我们要去sc、jad某个类，发现arthas提示类没加载，但是我们很确定类已经加载了。这时候就要检查arthas attach的进程是不是我们目标的进程。在进入arthas交互界面时会输出一些信息，里面就有真正attach的进程id：

在上图我们可以看到，明明我选择的是要attach 37179这个进程，但实际arthas attach的是26792这个进程。这是由于我们之前用arthas attach过26792这个进程，并且没有执行 shutdown命令导致的。也就是说执行exit或者quit只会退出交互界面，不会关闭attach的arthas进程。

解决办法

再次进入arthas交互界面，执行 shutdown 命令，之后重新attach新的进程即可。

四、总结

在以前，我们排查线上jvm进程时，用的命令无非就是jps、jstack、jmap、jstat、jhat这些jvm命令。但是这些命令能做的事都比较有限。有了arthas，我们可以在线上进行更加丰富的操作，对我们排查问题有很大的帮助。

另外，想学习arthas的话，建议不要只看文档，最好自己手动把所有命令都试一遍，印象会比较深刻，下次遇到类似的问题也可以及时想到这个工具。