Java程序性能优化与崩溃分析：从GC到RCA的深入探讨

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最近我在研读 RCA（Root Cause Analysis）方面的内容，不经意间发现了 yCrash 这个东西。它有几段关于问题的小代码，写得很具典型性。我们可以稍微看一看，借此了解 Java 应用程序常见的几种崩溃情形。

1.堆空间溢出

OOM 通常由内存泄漏所导致。在 GC 日志中有所体现，通常表现为 GC 的时间逐渐变长，并且每次回收的成效都较为普通。经过 GC 之后，堆内存的实际占用呈现出上升的态势。

下面的代码呈现为死循环的状态，会持续地向 HashMap 中添加数据。因为 myMap 属于 GCRoots 这一范畴，所以它始终无法被释放。基于此，它最终所导致的结果就是 OOM 。

import java.util.HashMap;
public class OOMDemo {
   static HashMap myMap = new HashMap<>();
   public static void start() throws Exception { 
      while (true) {
         myMap.put("key" + counter, "有一个很大的字符串"
               + 3. 有着一长串的“g”。 
               + "ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg" 
               + "ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg" 
               + "ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg" 
               + "ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg" 
               + "ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg" 
               + "ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg" 
               + "ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg" 
               + "ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg" 
               + "ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg" 
               + "ggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggggg" 
加上“计数器”；
         ++counter;
      }
   }   
}

2.内存泄漏

内存泄漏和内存溢出是一个道理，不同的是它的语意。

内存溢出属于未知的、超出期望的 OOM 情况。

我们可以使用上面同样的代码达到这个目的。

在现实情况里，内存泄漏一般都很隐蔽。要找到其根本原因，往往需要借助工具。其中，Mat 就是这样的工具。此外，jmap、pmap 等也是常用的工具。

如果你忘记重写对象的 equals 方法，也可能会产生内存泄漏。

//示例泄露：由 xjjdog 在 2022 年创建
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class HashMapLeakDemo {
    public static class Key {
        String title;
        public Key(String title) {
            this.title = title;
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Map map = new HashMap<>();
        map.put(new Key("1"), 1);
        map.put(new Key("2"), 2);
        map.put(new Key("3"), 2);
Integer integer；integer = map.get( ；先获取 map 中的值，将其赋值给 integer ；通过 map 获取到的值赋给 integer ；从 map 中获取到的内容赋给 integer ；让 integer 等于从 map 中获取到的值 ；使 integer 被赋值为 map 中的内容 ；把 map 中的值赋给 integer ；将 map 里的值赋予 integer ；让 integer 获取 map 中的值并进行赋值 ；使 integer 从 map 中获取值并赋值 ；把 map 中的值赋予 integer ；让 integer 被 map 中的值所赋值new Key("2"));
将 integer 进行输出。
    }
}

3.CPU飙升

直接一个死循环，就可以把CPU干死。

public class CPUSpikeDemo {
  public static void start() {
    new CPUSpikerThread().start();
    new CPUSpikerThread().start();
    new CPUSpikerThread().start();
    new CPUSpikerThread().start();
    new CPUSpikerThread().start();
    new CPUSpikerThread().start();
    System.out.println("6 threads launched!");
  }
}
public class CPUSpikerThread extends Thread {
  @Override
  public void run() {
    while (true) {
      // Just looping infinitely
    }
  }
}

获取问题代码通常可以使用下面的方法。

使用 top 命令来查找使用 CPU 最多的某个进程，然后记录它的 pid。通过使用 Shift + P 快捷键，能够按照 CPU 的使用率进行排序。再次使用 top 命令，加上 -H 参数，以查看某个进程中使用 CPU 最多的某个线程，接着记录线程的 ID。使用 printf 函数把十进制的 tid 转换为十六进制。使用 jstack 命令来查看 Java 进程的线程栈。使用 less 命令去查看生成的文件，并且查找刚才转化成的十六进制 tid，从而找到发生问题的线程上下文。

4.线程泄漏

线程资源是很昂贵的。如果你持续不断地创建线程，那么系统资源会很快被消耗殆尽。以下的代码会一直不停地创建线程，倘若同时面临较大的请求压力，多数情况下能够使宿主机死机。

public class ThreadLeakDemo {
   public static void start() {
      while (true) {
         new ForeverThread().start();
      }
   }
}
public class ForeverThread extends Thread {
   @Override
   public void run() {
      让线程永远休眠，这样它们就不会死亡。
      while (true) {
         try {
            反复睡眠 10 分钟。
            Thread.sleep(10 * 60 * 1000);
         } catch (Exception e) {}
      }
   }
}

这属于暴力行为。每个请求创建一个线程，或者创建一个线程池，会带来与之相同的后果。xjjdog 这里有两篇与之相关的线程泄漏文章。

Java 语言中的 OutOfMemoryError 表示无法创建新的本地线程。它表明在 Java 程序运行过程中，内存不足，无法为新的本地线程分配所需的资源。这种错误通常会导致程序的运行出现异常或崩溃。当遇到 java.lang.OutOfMemoryError: unable to create new native thread 错误时，需要检查程序的内存使用情况，可能需要优化代码或增加系统的内存资源。

5.死锁

死锁代码通常不会出现。然而，一旦它发生，情况就会非常严重，相关的业务可能会无法正常运行。

public class DeadLockDemo {
   public static void start() {
      new ThreadA().start();
      new ThreadB().start();
   }
}

public class ThreadA extends Thread {
    @Override 
    public void run() {
        CoolObject.method1();
    }
}

public class ThreadB extends Thread {
    @Override 
     public void run() {
HotObject 执行了 method2 方法。
     } 
}

public class CoolObject {
    public static synchronized void method1() {
       try {
     // Sleep for 10 seconds
     Thread.sleep(10 * 1000);
          } catch (Exception e) {}
          HotObject.method2();
     }
}
      
public class HotObject {
   public static synchronized void method2() {
       try {
          // Sleep for 10 seconds
          Thread.sleep(10 * 1000);
       } catch (Exception e) {}
       CoolObject.method1();
   } 
}

死锁是一种较为严重的情况，jstack 会通过明显的信息来进行提示。同时，对于线程的 dump ，有一些线上分析工具是可以使用的，例如 fastthread ，不过你需要先了解这些情况发生的意义。

6.栈溢出

栈溢出不会致使 JVM 进程死亡，其危害是“相对较小”的。以下是一个简单的用于模拟栈溢出的代码，仅通过递归调用便可实现。

public class StackOverflowDemo {
   public void start() {
      start();
   }
}

可以通过 -Xss 参数来设置虚拟机栈的大小。例如，下面的这个命令便是将栈大小设置为 128K 。

-Xss128K

如果你的应用时常出现这种状况，那么可以尝试将这个值调大。然而，通常情况下这是由程序错误所导致的，所以最好对自己的代码进行检查。

7.Blocked线程

BLOCKED 是一种较为严重的线程状态。后端服务处理时间如果特别长，请求的线程就会进入等待状态。此时，通过 jstack 获取堆栈，能够发现线程处于阻塞状态，并且是阻塞在对锁的获取上（wating to lock）。

public class BlockedAppDemo {
   public static void start() {
      for (int counter = 0; counter < 10; ++counter) {
      // Launch 10 threads.
      new AppThread().start();
      }
   }
}
public class AppThread extends Thread {
   @Override
   public void run() {
获取 AppObject 的某个东西。
   }
}
public class AppObject {
   public static synchronized void getSomething() {
      while (true) {
         try {
         Thread.sleep(10 * 60 * 1000);
  } catch (Exception e) {}
      }
  }
}