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性能工具之Java调试工具BTrace入门

云烟 • • 编程 • 阅读 270

引言在我们对Java应用做问题分析的时候，往往采用log进行问题定位和分析，但是如果我们的log缺乏相关的信息呢？远程调试会影响应用的正常工作，

引言

在我们对Java应用做问题分析的时候，往往采用log进行问题定位和分析，但是如果我们的log缺乏相关的信息呢？远程调试会影响应用的正常工作，修改代码重新部署应用，实时性和灵活性难以保证，有没有不影响正常应用运行，又灵活并无侵入性的方法呢？

答案是有，它就是Java中的神器-BTrace

BTrace是什么？

BTrace使用Java的Attach技术，可以让我们无缝的将我们BTrace脚本挂到JVM上，通过脚本你可以获取到任何你想拿到的数据，在侵入性和安全性都非常可靠，特别是定位线上问题的神器。

BTrace原理

BTrace是基于动态字节码修改技术（Hotswap）向目标程序的字节码注入追踪代码。

安装配置

关于BTrace的安装配置使用，此处就不再重复造轮子，网上有太多的教程。

官网地址：https://github.com/btraceio/btrace

注意事项

生产环境可以使用，但修改的字节码不会被还原，使用Btrace时，需要确保追踪的动作是只读的（即：追踪行为不能修改目标程序的状态）和有限的行为（即：追踪行为需要在有限的时间内终止），一个追踪行为需要满足以下的限制：

  • 不能创建新的对象
  • 不能创建新的数组
  • 不能抛出异常
  • 不能捕获异常
  • 不能对实例或静态方法调用-只有从BTraceUtils中的public static方法中或在当前脚本中声明的方法，可以被BTrace调用
  • 不能有外部，内部，嵌套或本地类
  • 不能有同步块或同步方法
  • 不能有循环（for，while，do..while）
  • 不能继承抽象类（父类必须是java.lang.Object）
  • 不能实现接口
  • 不能有断言语句
  • 不能有class保留字

以上的限制可以通过通过unsafe模式绕过。追踪脚本和引擎都必须设置为unsafe模式。脚本需要使用注解为 @BTrace(unsafe=true)，需要修改BTrace安装目录下bin中btrace脚本将 -Dcom.sun.btrace.unsafe=false改为 -Dcom.sun.btrace.unsafe=true。

注：关于unsafe的使用，如果你的程序一旦被btrace追踪过，那么unsafe的设置会一直伴随该进程的整个生命周期。如果你修改了unsafe的设置，只有通过重启目标进程，才能获得想要的结果。所以该用法不是很好使用，如果你的应用不能随便重启，那么你在第一次使用btrace最终目标进程之前，先想好到底使用那种模式来启动引擎。

使用示例

拦截一个普通方法

control方法

@GetMapping(value = "/arg1")
   public String arg1(@RequestParam("name") String name) throws InterruptedException {
       Thread.sleep(2000);
       return "7DGroup," + name;
   }

BTrace脚本

/**
* 拦截示例
*/
@BTrace
public class PrintArgSimple {

   @OnMethod(
           //类名
           clazz = "com.techstar.monitordemo.controller.UserController",
           //方法名
           method = "arg1",
           //拦截时刻：入口
           location = @Location(Kind.ENTRY))

   /**
    * 拦截类名和方法名
    */ public static void anyRead(@ProbeClassName String pcn, @ProbeMethodName String pmn, AnyType[] args) {
       BTraceUtils.printArray(args);
       BTraceUtils.println(pcn + "," + pmn);
       BTraceUtils.println();
   }
}

拦截结果：

192:Btrace apple$ jps -l
369
5889 /Users/apple/Downloads/performance/apache-jmeter-4.0/bin/ApacheJMeter.jar
25922 sun.tools.jps.Jps
23011 org.jetbrains.idea.maven.server.RemoteMavenServer
25914 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
25915 com.techstar.monitordemo.MonitordemoApplication
192:Btrace apple$ btrace 25915 PrintArgSimple.java
[zuozewei, ]
com.techstar.monitordemo.controller.UserController,arg1

[zee, ]
com.techstar.monitordemo.controller.UserController,arg1

拦截构造函数

构造函数

@Data
public class User {

   private int id;
   private String name;

}

control方法

@GetMapping(value = "/arg2")
   public User arg2(User user) {
       return user;
   }

BTrace脚本

/**
* 拦截构造函数
*/
@BTrace
public class PrintConstructor {

   @OnMethod(clazz = "com.techstar.monitordemo.domain.User", method = "<init>")
   public static void anyRead(@ProbeClassName String pcn, @ProbeMethodName String pmn, AnyType[] args) {
       BTraceUtils.println(pcn + "," + pmn);
       BTraceUtils.printArray(args);
       BTraceUtils.println();
   }
}

拦截结果

192:Btrace apple$ btrace 34119 PrintConstructor.java
com.techstar.monitordemo.domain.User,<init>
[1, zuozewei, ]

拦截同名函数，以参数区分

control方法

@GetMapping(value = "/same1")
   public String same(@RequestParam("name") String name) {
       return "7DGroup," + name;
   }

   @GetMapping(value = "/same2")
   public String same(@RequestParam("id") int id, @RequestParam("name") String name) {
       return "7DGroup," + name + "," + id;
   }

BTrace脚本

/**
* 拦截同名函数，通过输入的参数区分
*/

@BTrace
public class PrintSame {

   @OnMethod(clazz = "com.techstar.monitordemo.controller.UserController", method = "same")
   public static void anyRead(@ProbeClassName String pcn, @ProbeMethodName String pmn, String name) {
       BTraceUtils.println(pcn + "," + pmn + "," + name);
       BTraceUtils.println();
   }
  1. }

拦截结果

192:Btrace apple$ jps -l
369
5889 /Users/apple/Downloads/performance/apache-jmeter-4.0/bin/ApacheJMeter.jar
34281 sun.tools.jps.Jps
34220 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
34221 com.techstar.monitordemo.MonitordemoApplication
192:Btrace apple$ btrace 34221 PrintSame.java
com.techstar.monitordemo.controller.UserController,same,zuozewei

com.techstar.monitordemo.controller.UserController,same,zuozewei

com.techstar.monitordemo.controller.UserController,same,zuozewei

拦截方法返回值

BTrace脚本

/**
* 拦截返回值
*/
@BTrace
public class PrintReturn {

   @OnMethod(clazz = "com.techstar.monitordemo.controller.UserController", method = "arg1",
           //拦截时刻：返回值
           location = @Location(Kind.RETURN))
   public static void anyRead(@ProbeClassName String pcn, @ProbeMethodName String pmn, @Return AnyType result) {
       BTraceUtils.println(pcn + "," + pmn + "," + result);
       BTraceUtils.println();
   }
}

拦截结果

192:Btrace apple$ jps -l
34528 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
34529 com.techstar.monitordemo.MonitordemoApplication
369
5889 /Users/apple/Downloads/performance/apache-jmeter-4.0/bin/ApacheJMeter.jar
34533 sun.tools.jps.Jps
192:Btrace apple$ btrace 34529 PrintReturn.java
com.techstar.monitordemo.controller.UserController,arg1,7DGroup,zuozewei

异常分析

有时候开发人员对异常处理不合理，导致某些重要异常人为被吃掉，并且没有日志或者日志不详细，导致性能分析定位问题困难，我们可以使用BTrace来处理

control方法

@GetMapping(value = "/exception")
   public String exception() {
       try {
           System.out.println("start...");
           System.out.println(1 / 0); //模拟异常
           System.out.println("end...");
       } catch (Exception e) {}
       return "successful...";
   }

BTrace脚本

/**
* 有时候，有些异常被人为吃掉，日志又没有打印，这个时候可以用该类定位问题
* This example demonstrates printing stack trace
* of an exception and thread local variables. This
* trace script prints exception stack trace whenever
* java.lang.Throwable's constructor returns. This way
* you can trace all exceptions that may be caught and
* "eaten" silently by the traced program. Note that the
* assumption is that the exceptions are thrown soon after
* creation [like in "throw new FooException();"] rather
* that be stored and thrown later.
*/
@BTrace
public class PrintOnThrow {
   // store current exception in a thread local
   // variable (@TLS annotation). Note that we can't
   // store it in a global variable!
   @TLS
   static Throwable currentException;

   // introduce probe into every constructor of java.lang.Throwable
   // class and store "this" in the thread local variable.
   @OnMethod(clazz = "java.lang.Throwable", method = "<init>")
   public static void onthrow(@Self Throwable self) {
       currentException = self;
   }

   @OnMethod(clazz = "java.lang.Throwable", method = "<init>")
   public static void onthrow1(@Self Throwable self, String s) {
       currentException = self;
   }

   @OnMethod(clazz = "java.lang.Throwable", method = "<init>")
   public static void onthrow1(@Self Throwable self, String s, Throwable cause) {
       currentException = self;
   }

   @OnMethod(clazz = "java.lang.Throwable", method = "<init>")
   public static void onthrow2(@Self Throwable self, Throwable cause) {
       currentException = self;
   }

   // when any constructor of java.lang.Throwable returns
   // print the currentException's stack trace.
   @OnMethod(clazz = "java.lang.Throwable", method = "<init>", location = @Location(Kind.RETURN))
   public static void onthrowreturn() {
       if (currentException != null) {
           Threads.jstack(currentException);
           BTraceUtils.println("=====================");
           currentException = null;
       }
   }
}

拦截结果

192:Btrace apple$ jps -l
369
5889 /Users/apple/Downloads/performance/apache-jmeter-4.0/bin/ApacheJMeter.jar
34727 sun.tools.jps.Jps
34666 org.jetbrains.jps.cmdline.Launcher
34667 com.techstar.monitordemo.MonitordemoApplication
192:Btrace apple$ btrace 34667 PrintOnThrow.java
java.lang.ClassNotFoundException: org.apache.catalina.webresources.WarResourceSet
   java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:381)
   java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424)
   java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:411)
   sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:349)
   java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
   org.apache.catalina.webresources.StandardRoot.isPackedWarFile(StandardRoot.java:656)
   org.apache.catalina.webresources.CachedResource.validateResource(CachedResource.java:109)
   org.apache.catalina.webresources.Cache.getResource(Cache.java:69)
   org.apache.catalina.webresources.StandardRoot.getResource(StandardRoot.java:216)
   org.apache.catalina.webresources.StandardRoot.getResource(StandardRoot.java:206)
   org.apache.catalina.mapper.Mapper.internalMapWrapper(Mapper.java:1027)
   org.apache.catalina.mapper.Mapper.internalMap(Mapper.java:842)
   org.apache.catalina.mapper.Mapper.map(Mapper.java:698)
   org.apache.catalina.connector.CoyoteAdapter.postParseRequest(CoyoteAdapter.java:679)
   org.apache.catalina.connector.CoyoteAdapter.service(CoyoteAdapter.java:336)
   org.apache.coyote.http11.Http11Processor.service(Http11Processor.java:800)
   org.apache.coyote.AbstractProcessorLight.process(AbstractProcessorLight.java:66)
   org.apache.coyote.AbstractProtocol$ConnectionHandler.process(AbstractProtocol.java:800)
   org.apache.tomcat.util.net.NioEndpoint$SocketProcessor.doRun(NioEndpoint.java:1471)
   org.apache.tomcat.util.net.SocketProcessorBase.run(SocketProcessorBase.java:49)
   java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1149)
   java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
   org.apache.tomcat.util.threads.TaskThread$WrappingRunnable.run(TaskThread.java:61)
   java.lang.Thread.run(Thread.java:748)
=====================
...

定位某个超过阈值的函数

BTrace脚本

**
* 探测某个包路径下的方法执行时间是否超过某个阈值的程序，如果超过了该阀值，则打印当前线程的栈信息。
*/

import com.sun.btrace.BTraceUtils;
import com.sun.btrace.annotations.*;

import static com.sun.btrace.BTraceUtils.*;

@BTrace
public class PrintDurationTracer {
   @OnMethod(clazz = "/com\\.techstar\\.monitordemo\\..*/", method = "/.*/", location = @Location(Kind.RETURN))
   public static void trace(@ProbeClassName String pcn, @ProbeMethodName String pmn, @Duration long duration) {
       //duration的单位是纳秒
       if (duration > 1000 * 1000 * 2) {
           BTraceUtils.println(Strings.strcat(Strings.strcat(pcn, "."), pmn));
           BTraceUtils.print(" 耗时:");
           BTraceUtils.print(duration);
           BTraceUtils.println("纳秒,堆栈信息如下");
           jstack();
       }
   }
}

拦截结果

192:Btrace apple$ btrace 39644 PrintDurationTracer.java
com.techstar.monitordemo.controller.Adder.execute 耗时:1715294657纳秒,堆栈信息如下
com.techstar.monitordemo.controller.Adder.execute(Adder.java:13)
com.techstar.monitordemo.controller.Main.main(Main.java:10)
com.techstar.monitordemo.controller.Adder.execute 耗时:893795666纳秒,堆栈信息如下
com.techstar.monitordemo.controller.Adder.execute(Adder.java:13)
com.techstar.monitordemo.controller.Main.main(Main.java:10)
com.techstar.monitordemo.controller.Adder.execute 耗时:1331363658纳秒,堆栈信息如下
com.techstar.monitordemo.controller.Adder.execute(Adder.java:13)

追踪方法执行时间

BTrace脚本

/**
* 追踪某个方法的执行时间，实现原理同AOP一样。
*/
@BTrace
public class PrintExecuteTimeTracer {
   @TLS
   static long beginTime;

   @OnMethod(clazz = "com.techstar.monitordemo.controller.Adder", method = "execute")
   public static void traceExecuteBegin() {
       beginTime = timeMillis();
   }

   @OnMethod(clazz = "com.techstar.monitordemo.controller.Adder", method = "execute", location = @Location(Kind.RETURN))
   public static void traceExecute(int arg1, int arg2, @Return int result) {
       BTraceUtils.println(strcat(strcat("Adder.execute 耗时:", str(timeMillis() - beginTime)), "ms"));
       BTraceUtils.println(strcat("返回结果为:", str(result)));
   }
}

拦截结果

  1. 192:Btrace apple$ btrace 40863 PrintExecuteTimeTracer.java
  2. Adder.execute 耗时:803ms
  3. 返回结果为:797
  4. Adder.execute 耗时:1266ms
  5. 返回结果为:1261
  6. Adder.execute 耗时:788ms
  7. 返回结果为:784
  8. Adder.execute 耗时:1524ms
  9. 返回结果为:1521
  10. Adder.execute 耗时:1775ms

性能分析

压测的时候经常发现某一个服务变慢了，但是由于这个服务有很多的业务逻辑和方法构成，这个时候就不好定位到底慢在哪个地方。BTrace可以解决这个问题，只需要大概定位问题可能存在的地方，通过包路径模糊匹配，就可以找到问题。

BTrace脚本

/**
*
* Description:
* This script demonstrates new capabilities built into BTrace 1.2
* Shortened syntax - when omitting "public" identifier in the class
* definition one can safely omit all other modifiers when declaring methods
* and variables
* Extended syntax for @ProbeMethodName annotation - you can use
* parameter to request a fully qualified method name instead of
* the short one
* Profiling support - you can use {@linkplain Profiler} instance to gather
* performance data with the smallest overhead possible
*/
@BTrace
class Profiling {
   @Property
   Profiler profiler = BTraceUtils.Profiling.newProfiler();

   @OnMethod(clazz = "/com\\.techstar\\..*/", method = "/.*/")
   void entry(@ProbeMethodName(fqn = true) String probeMethod) {
       BTraceUtils.Profiling.recordEntry(profiler, probeMethod);
   }

   @OnMethod(clazz = "/com\\.techstar\\..*/", method = "/.*/", location = @Location(value = Kind.RETURN))
   void exit(@ProbeMethodName(fqn = true) String probeMethod, @Duration long duration) {
       BTraceUtils.Profiling.recordExit(profiler, probeMethod, duration);
   }

   @OnTimer(5000)
   void timer() {
       BTraceUtils.Profiling.printSnapshot("Performance profile", profiler);
   }

死锁排查

我们怀疑程序是否有死锁，可以通过以下的脚本扫描追踪，非常简单方便。

/**
* This BTrace program demonstrates deadlocks
* built-in function. This example prints
* deadlocks (if any) once every 4 seconds.
*/
@BTrace
public class PrintDeadlock {
   @OnTimer(4000)
   public static void print() {
       deadlocks();
   }
}

小结

BTrace是一个事后工具，所谓的事后工具就是在服务已经上线或者压测后，但是发现有问题的时候，可以使用BTrace动态跟踪分析。

  1. 比如哪些方法执行太慢，例如监控方法执行时间超过1秒的方法；
  2. 查看哪些方法调用了system.gc( )，调用栈是怎样的；
  3. 查看方法的参数和属性
  4. 哪些方法发生了异常
  5. …..

总之，这里只是将部分经常用的列举了下抛砖引玉，还有很多没有列举，大家可以参考官方的其他Sample去玩下。

最后来自小编的福利

小编整理了一份大厂真题的面试资料，以及2021最新Java核心技术整理的资料集锦，需要领取的小伙伴可以 私聊关注我 免费领取 ，编程的世界永远向所有热爱编程的人开放，这是一个自由，平等，共享的世界，我始终是这样坚信的。

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