Java性能监控与故障诊断工具详解：jps、jstack、jmap、jhat、jstat、hprof

前言

在Java应用开发和运维过程中，性能监控和故障诊断是至关重要的环节。JDK自带了一系列强大的命令行工具，可以帮助开发者分析Java应用的运行状态、内存使用情况、线程状态等信息。本文将详细介绍jps、jstack、jmap、jhat、jstat和hprof这些工具的使用方法和实际应用场景。

一、jps - Java进程状态工具

1. 简介

jps（Java Virtual Machine Process Status Tool）是JDK提供的一个简单工具，用于列出当前系统中所有的Java进程及其主类名和JVM参数。

2. 常用命令

bash
# 列出所有Java进程（显示主类名）
jps

# 列出所有Java进程（显示完整主类名和JVM参数）
jps -l

# 列出所有Java进程（显示传递给main方法的参数）
jps -m

# 列出所有Java进程（显示传递给JVM的参数）
jps -v

# 组合使用多个选项
jps -lmv

3. 输出示例

12345 MyApplication
23456 com.example.MainClass -Xms512m -Xmx1024m
34567 org.apache.catalina.startup.Bootstrap start

4. 实际应用场景

• 快速查找特定Java应用的进程ID
• 确认Java应用是否正常运行
• 查看Java应用的JVM参数配置

二、jstack - Java堆栈跟踪工具

1. 简介

jstack用于生成Java虚拟机当前时刻的线程快照（thread dump），可以帮助分析线程状态、检测死锁等问题。

2. 常用命令

bash
# 基本用法
jstack <pid>

# 输出混合模式（Java和本地方法）堆栈信息
jstack -m <pid>

# 强制生成堆栈信息（当进程挂起时）
jstack -F <pid>

# 将输出保存到文件
jstack <pid> > thread_dump.txt

3. 输出解析

jstack输出包含以下关键信息：

• 线程状态：RUNNABLE、BLOCKED、WAITING、TIMED_WAITING等
• 线程调用栈：显示线程当前执行的方法调用链
• 锁信息：显示线程持有的锁和等待的锁

4. 实际应用场景

• 诊断线程死锁
• 分析CPU占用过高问题
• 检查线程阻塞情况
• 监控线程生命周期

5. 死锁检测示例

java
Found one Java-level deadlock:
=============================
"Thread-1":
  waiting to lock monitor 0x00007f7a4800f8e8 (object 0x000000076abcb3e0, a java.lang.Object),
  which is held by "Thread-0"
"Thread-0":
  waiting to lock monitor 0x00007f7a4800e8e8 (object 0x000000076abcb3f0, a java.lang.Object),
  which is held by "Thread-1"

三、jmap - Java内存映射工具

1. 简介

jmap（Java Memory Map）用于生成Java堆的详细信息，包括内存使用情况、对象统计等。

2. 常用命令

bash
# 显示堆内存概要信息
jmap -heap <pid>

# 生成堆转储文件（Heap Dump）
jmap -dump:format=b,file=heap.hprof <pid>

# 只转储存活对象
jmap -dump:live,format=b,file=heap.hprof <pid>

# 显示类的实例数量及占用内存
jmap -histo <pid>

# 显示类的实例数量及占用内存（只统计存活对象）
jmap -histo:live <pid>

3. 输出解析

jmap -heap输出示例：

Attaching to process ID 12345, please wait...
Debugger attached successfully.
Server compiler detected.
JVM version is 25.131-b11

using thread-local object allocation.
Parallel GC with 4 thread(s)

Heap Configuration:
   MinHeapFreeRatio         = 40
   MaxHeapFreeRatio         = 70
   MaxHeapSize              = 2147483648 (2048.0MB)
   NewSize                  = 44564480 (42.5MB)
   MaxNewSize               = 715653120 (682.5MB)
   OldSize                  = 89653248 (85.5MB)
   NewRatio                 = 2
   SurvivorRatio            = 8
   MetaspaceSize            = 21807104 (20.796875MB)
   CompressedClassSpaceSize = 1073741824 (1024.0MB)
   MaxMetaspaceSize         = 17592186044415 MB
   G1HeapRegionSize         = 0 (0.0MB)

Heap Usage:
PS Young Generation
Eden Space:
   capacity = 34078720 (32.5MB)
   used     = 10248704 (9.7734375MB)
   free     = 23830016 (22.7265625MB)
   30.072115384615383% used
From Space:
   capacity = 5242880 (5.0MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 5242880 (5.0MB)
   0.0% used
To Space:
   capacity = 5242880 (5.0MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 5242880 (5.0MB)
   0.0% used
PS Old Generation
   capacity = 89653248 (85.5MB)
   used     = 0 (0.0MB)
   free     = 89653248 (85.5MB)
   0.0% used

318 interned Strings occupying 25896 bytes.

4. 实际应用场景

• 生成堆转储文件用于离线分析
• 分析内存泄漏问题
• 监控堆内存使用情况
• 统计各类对象数量和内存占用

四、jhat - Java堆分析工具

1. 简介

jhat（Java Heap Analysis Tool）用于分析jmap生成的堆转储文件，提供一个web界面来浏览堆内存中的对象信息。

2. 常用命令

bash
# 基本用法
jhat heap.hprof

# 指定端口
jhat -port 7000 heap.hprof

# 禁止对象引用分析（加快加载速度）
jhat -J-Xmx2g -port 7000 heap.hprof

3. 使用说明

启动jhat后，默认会在7000端口启动一个HTTP服务，可以通过浏览器访问：

http://localhost:7000/

4. 主要功能

• 显示堆概要信息
• 按包名浏览类
• 执行OQL（Object Query Language）查询
• 显示对象的引用链
• 计算对象的保留大小

5. 实际应用场景

• 分析内存泄漏
• 查看大对象分布
• 分析对象引用关系
• 统计类实例数量

五、jstat - JVM统计监控工具

1. 简介

jstat（Java Virtual Machine Statistics Monitoring Tool）用于监控JVM的各种统计信息，包括类加载、垃圾回收、JIT编译等。

2. 常用命令

bash
# 基本语法
jstat -<option> <pid> [<interval> [<count>]]

# 监控垃圾回收情况
jstat -gc <pid> 1000 10

# 监控垃圾回收情况（带时间戳）
jstat -gcutil <pid> 1000 10

# 监控类加载情况
jstat -class <pid> 1000 10

# 监控JIT编译情况
jstat -compiler <pid> 1000 10

3. 主要选项

• -class：类加载统计
• -gc：垃圾回收统计
• -gccapacity：各代容量统计
• -gcutil：垃圾回收统计（百分比）
• -gccause：垃圾回收统计（含原因）
• -gcnew：新生代统计
• -gcold：老年代统计
• -compiler：JIT编译统计
• -printcompilation：方法编译统计

4. 输出解析

jstat -gcutil输出示例：

  S0     S1     E      O      M     CCS    YGC     YGCT    FGC    FGCT     GCT
  0.00  96.88  45.12  35.25  95.52  91.03     10    0.123     3    0.456    0.579

各列含义：

• S0：Survivor 0区使用率
• S1：Survivor 1区使用率
• E：Eden区使用率
• O：老年代使用率
• M：元空间使用率
• CCS：压缩类空间使用率
• YGC：Young GC次数
• YGCT：Young GC总耗时
• FGC：Full GC次数
• FGCT：Full GC总耗时
• GCT：GC总耗时

5. 实际应用场景

• 实时监控GC情况
• 分析内存回收效率
• 诊断内存泄漏
• 调优JVM内存参数

六、hprof - JVM内置分析工具

1. 简介

hprof是JVM内置的分析工具，可以收集CPU使用、堆分配和线程争用等数据。

2. 使用方式

hprof需要通过JVM启动参数启用：

bash
# CPU使用分析
java -agentlib:hprof=cpu=samples,interval=20,depth=3 MyApp

# 堆分配分析
java -agentlib:hprof=heap=sites MyApp

# 线程争用分析
java -agentlib:hprof=monitor=y,thread=y MyApp

3. 输出文件

hprof会将分析结果输出到java.hprof.txt文件中。

4. 实际应用场景

• CPU性能分析
• 内存分配热点分析
• 线程争用分析
• 方法调用统计

七、工具组合使用案例

1. 内存泄漏分析流程

1. 使用jps查找目标Java进程ID
2. 使用jmap生成堆转储文件
3. 使用jhat分析堆转储文件
4. 结合jstat监控GC情况

2. CPU占用过高分析流程

1. 使用top或ps找到高CPU占用的Java进程
2. 使用jstack获取线程堆栈
3. 分析高CPU占用的线程堆栈
4. 结合jstat查看GC情况

3. 死锁检测流程

1. 使用jps查找目标Java进程ID
2. 使用jstack获取线程堆栈
3. 在堆栈信息中搜索"deadlock"关键字
4. 分析死锁涉及的线程和锁

八、总结

JDK提供的这些工具构成了一个完整的Java应用性能监控和故障诊断工具箱：

工具	主要功能	适用场景
jps	列出Java进程	快速查找Java进程
jstack	线程堆栈分析	死锁、CPU高、线程阻塞分析
jmap	堆内存分析	内存泄漏、堆转储生成
jhat	堆转储分析	离线分析内存问题
jstat	JVM统计监控	实时监控GC、内存使用情况
hprof	CPU、内存、线程分析	性能分析、热点方法定位

掌握这些工具的使用方法，能够帮助开发者快速定位和解决Java应用中的各种性能问题和故障。在实际工作中，建议将这些工具与可视化工具（如VisualVM、JConsole等）结合使用，以获得更好的分析体验。