Java代碼性能監(jiān)控實現(xiàn)原理
一、Java平臺體系及應用場景
從1995年Sun Microsystems公司正式推出Java，到2006年時Sun公司將其開源，迄今為止已經(jīng)有了20年的歷史。Java本身已不僅僅只是一門面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，而是由一系列計算機軟件和規(guī)范形成的技術體系，這個技術體系提供了完整的跨平臺開發(fā)與部署的支持，實現(xiàn)“一次編寫、到處運行”的目的。Java已經(jīng)廣泛的應用于嵌入式、移動終端、企業(yè)服務器、大型機等各種場合。
Sun官方所定義的Java技術體系包括如下幾個組成部分：
* Java程序設計語言
* 各種硬件平臺上的Java虛擬機
* Class文件格式
* 來自商業(yè)機構(gòu)和開源社區(qū)的第三方Java類庫
圖：Java技術體系組件圖
Java Virtual Machine(JVM)是Java體系的基礎，負責解釋、編譯執(zhí)行.class文件形式的字節(jié)碼，同時負責內(nèi)存管理、熱點代碼檢測和運行時編譯優(yōu)化。正是由于有了虛擬機的基礎，才使Java實現(xiàn)了“一次編寫、到處運行”。Java這20年的發(fā)展，其實更是虛擬機的發(fā)展過程。期間經(jīng)歷了Sun、BEA公司各自開發(fā)的虛擬機，2009年之后，ORACLE將這兩家公司收購，并將這些虛擬機取長補短、合二為一。目前還是開源的虛擬機OpenJDK，可供愛好者學習研究用。
JRE部分是支持Java程序運行的標準環(huán)境。JDK是JRE的超集，包含JRE的一切，再加上工具如編譯器、調(diào)試器等。
二、Java性能監(jiān)控需求
對于一個企業(yè)的應用系統(tǒng)，大多數(shù)情況下，肯定是由多種編程語言開發(fā)的各種系統(tǒng)的集成。我們都非常關心系統(tǒng)的可用性、及時響應性、資源的消耗，比如CPU、內(nèi)存、各種I/O、網(wǎng)路帶寬等消耗情況。對于這些問題的性能瓶頸點，我們一般可以歸納為外部服務（如第三方API）、資源讀寫、代碼異常。如果在發(fā)生這些問題時，能夠及時完整的抓拍記錄保留下來，那么對于我們解決問題將會提供充足的證據(jù)，解決問題會變的非常容易。
對于Java應用系統(tǒng)來說，JVM自身提供了相應的性能監(jiān)控手段和工具，經(jīng)常在出現(xiàn)問題后，比如內(nèi)存泄漏或溢出時，我們會通過jmap命令導出堆的轉(zhuǎn)儲快照，利用相應的命令jhat或其他相應的第三方內(nèi)存分析工具來分析對象的占用情況。
響應緩慢時，我們可能會用jstat監(jiān)視命令、或jdk的可視化工具jconsole、visualvm來分析JVM的垃圾回收類型、回收頻率，來推測是否是垃圾回收導致的。有可能我們還要接著分析線程轉(zhuǎn)儲快照，通過jstack取出線程的棧快照，來分析是否有真死鎖、死循環(huán)導致的相應緩慢、資源負載高等情況。
當有問題出現(xiàn)時，許多開發(fā)人員可能都是比較盲目的用這些工具來試探性定位問題，而大多數(shù)情況下，這種試探會無功而返。因為這些分析工具主要是側(cè)重Java單方面的分析，比如該系統(tǒng)調(diào)用第三方API，如果第三方API有問題，是無法監(jiān)控到的。還有像文件、DB資源的訪問也是是無法監(jiān)控到的。
而且，只有對Java虛擬機機制較為熟悉的高級開發(fā)人員才能比較好的運用、理解這些工具，對于大多數(shù)普通Java開發(fā)人員來說，這些問題只會令他們束手無策。
像外部服務（如第三方API）、資源讀寫、代碼異常這些瓶頸點，需要通過代碼級別的監(jiān)控才能直接、快速、有效的找到癥結(jié)所在。調(diào)用第三方API的耗時、資源訪問的耗時、代碼拋出的非預知異常，這些常見問題代碼監(jiān)控完全能夠監(jiān)控到，并能夠?qū)崟r抓拍記錄，一旦有問題可以快速還原事故問題現(xiàn)場。通過代碼級別監(jiān)控發(fā)現(xiàn)問題后，也可以在輔助利用虛擬機內(nèi)置監(jiān)控工具進行進一步的定位。
三、透視寶Java監(jiān)控實現(xiàn)原理
圖：Java的執(zhí)行模型
在Java的執(zhí)行體系中，由.Java源碼文件編譯后的.class字節(jié)碼文件，可以理解為中間語言。
圖：透視寶Java監(jiān)控實現(xiàn)原理
圖：透視寶Java監(jiān)控實例運行圖
1、字節(jié)碼load至JVM時發(fā)生了什么
* 回調(diào)函數(shù)注冊完畢后，凡是當有任何的class文件即將被類加載器加載前，都
會執(zhí)行回調(diào)函數(shù)transform，在此方法內(nèi)實現(xiàn)的類改變操作。
* 實現(xiàn)的transform方法中，我們使用的是ASM字節(jié)碼操作框架，ASM從二進制
形式的類文件中讀取、分析類的信息，然后修改改變類的行為。
* transform方法的基本代碼形式如下：
2、如何實際改變類行為
* 在依賴于ASM基礎之上，我們抽象出這樣的業(yè)務模型
* 常用的攔截探針
* 常用的運行時攔截處理器
* 支持的攔截定義過濾器規(guī)則
* 該業(yè)務模型對應的行為
定義攔截描述時，指定過濾攔截哪些類、哪些方法，然后，在這些行為的點上，可以埋入探針、處理器。重寫visitCode、visitInsn、visitMaxs分別實現(xiàn)方法進入、返回、異常的相關操作改寫。
四、透視寶Java監(jiān)控部署流程
1、登錄云智慧透視寶官網(wǎng)：https://www.toushibao.com/ ，點擊頁面右上角導航的“免費試用”，正確填寫免費試用的申請信息后會彈出下面的對話框，同時激活郵件會自動發(fā)送到你的郵箱中，按照流程注冊帳號即可。
2、注冊成功后，登錄透視寶，點擊配置-應用，在配置頁面中下載安裝Smart Agent。安裝成功后，Smart Agent會根據(jù)系統(tǒng)配置自動獲取主機信息，大致兩分鐘后，您就可以在“主機→服務器”模塊中查看該服務器的CPU、內(nèi)存、網(wǎng)卡、磁盤及進程等性能數(shù)據(jù)。
3、如果要監(jiān)控應用運行時代碼、主機中服務和數(shù)據(jù)庫性能數(shù)據(jù)，您需要進一步安裝和配置Smart Agent提供的各種插件，這是因為Smart Agent實現(xiàn)了一種開放式的插件式結(jié)構(gòu)，對每個運行時代碼、服務和數(shù)據(jù)庫的監(jiān)控都是通過相應的插件來實現(xiàn)的。
Smart Agent在安裝完成后，加載過程中自動發(fā)現(xiàn)你的應用組件，如果沒有自動監(jiān)測到Java環(huán)境，也可以手動添加Java Agent。如上圖所示，點擊“管理”入口，進入“插件管理”，點擊頁面下部的“添加服務”，選擇JavaAgent后，點擊“創(chuàng)建”。
創(chuàng)建完畢后，點擊“ON”。(該ON操作只是初始化用戶的信息，以便以后采集到的信息能夠正確的回傳給該用戶。)
以上都操作完后，在{smartagent的安裝路徑}/plugins，就會看到如下形式的
在到{smartagent的安裝路徑}/plugins/JavaAgent_1442476463X1002x0/conf文件夾下，查看app.conf文件，看看該文件內(nèi)的HostKey的值是否是如下類似的加密形式
以上情況，表明JavaAgent已經(jīng)下載啟動初始化成功。
4、安裝JavaAgent至各種應用服務器上，如tomcat\jboss\weblogic。（該操作參考官網(wǎng)https://www.toushibao.com/即可）
5、只要啟動相應服務器，然后訪問您的應用url即可，該url對用的代碼執(zhí)行情況即可呈現(xiàn)給您，一旦出現(xiàn)緩慢問題也一目了然。如下圖示意
五、透視寶Java代碼性能監(jiān)控特點
在功能方面，透視寶無論是在Java，還是其他如.NET、PHP等主流語言的監(jiān)控上，都包括：查看執(zhí)行最慢的10個元素，包括元素執(zhí)行次數(shù)、持續(xù)時長和占用時長百分比；查看HTTP請求參數(shù)，包括請求的響應狀態(tài)、鏈接頁面、具體的請求參數(shù)及返回結(jié)果；查看代碼執(zhí)行堆棧的詳細樹狀信息，包括每個方法的計算時間、總耗時和被調(diào)用的次數(shù)，您能直接看到特殊標識的最慢方法；查看涉及SQL語句的總耗時排序，包括SQL執(zhí)行總耗時、執(zhí)行次數(shù)和具體的查詢語句；第三方API調(diào)用。
端到端性能監(jiān)控示意圖
在性能方面，云智慧透視寶的JavaAgent代碼監(jiān)控探針包，對用戶的性能影響到底有多大？從安裝包本身來看，它非常小，僅為1.5M。在不安裝Java探針包和安裝Java探針包，分別運行應用。經(jīng)過測試對比，CPU使用率差值、內(nèi)存消耗差值、TPS差值均在5%以內(nèi)。
