Java服务端程序“假死”怎么办?

2023年 11月 13日 35.5k 0

Labs 导读

作为Java开发者,在日常工作中经常会碰到Java服务端程序无法响应客户端的请求,轻则影响用户体验,重则会造成重大故障。这种无法响应客户端的请求就是常说的服务“假死”、“卡住了”。那么,在这种“假死”的背后到底发生了什么事,本该正常响应客户端请求的进程、线程又在做什么呢?本文带你来揭晓这一答案。

Part 01、 程序“假死”的迹象  

服务端程序卡死之后,最常见的现象是无法响应客户端请求,结果返回特别慢直至超时。如果是网页服务,那么用户会发现该页面会无法访问,或者一直加载不出来。

如果此时深入查看Http协议,其返回状态码一般是504(Gateway

Timeout),提示网关超时。如果该程序对应的进程还在存活在操作系统中,在排除了网络、服务器问题后,可以认为该程序已经“假死”,无法再继续提供服务。有些程序在假死后过一段时间可以自己恢复,然而更多的时候需要人工介入重启程序才能恢复正常。

服务器返回504状态码的一种表现

Part 02、如何定位假死问题 

接下来我们看一下当碰到程序假死问题时,应该从哪些方面着手处理,如何快速定位到根本原因。

2.1 常用的工具

工欲善其事必先利其器,我们首先来看下一些常用的诊断问题的工具。

2.1.1 top命令

top命令是Linux下常用的性能分析工具,能够实时显示系统中各个进程的资源占用状况,操作系统自带。在终端中输入top即可看到正在运行的所有进程占用的CPU、内存、运行时间等,也能够大致知晓当前服务器的运行状态。

top命令结果top命令结果

以上是一张典型的top命令结果图,可以看出java进程进行占用了 44.7%的内存,118.8%的CPU(多核的CPU使用率会超过100%),但系统1分钟的平均负载(load average)只有0.92,运行较为稳定。

2.1.2 jstat命令

jstat 是用于监控虚拟机各种运行状态信息的命令行工具,包括了对Heap size和垃圾回收状况的监控,由JDK提供。当需要了解JVM的运行状态时它是首选工具。比如需要每秒查看一次JVM的垃圾回收状态,可以使用:

jstat -gcutil PID 1000 #注:PID请更换为java进程号

jstat命令结果jstat命令结果

上图是进程号为4417的JVM进程的内存使用情况,S0和S1是新生代中幸存区使用比例,E是伊甸园区空间使用比例,O是老年代空间使用比例;YGC是新生代垃圾回收次数,YGCT是新生代垃圾回收总时间;FGC是老年代垃圾回收次数,FGCT是老年代垃圾回收总时间,GCT是垃圾回收总时间。当出现内存不够用时,O会出现100%,并且FGC和FGCT持续增加,比较容易辨别。

2.1.3 jmap命令

jmap是JDK提供的一个可以生成JVM的堆转储快照dump文件的命令行工具。除此以外,jmap命令还可以查看finalize执行队列、Java堆和方法区的详细信息,比如空间使用率、当前使用的什么垃圾回收器、分代情况等等。当出现内存问题时,就需要jmap命令将内存堆转储成文件进行详细的分析了。常用的命令如下:

jmap -dump:live,format=b,file=memory.hprof PID

该命令将堆转储成名为memory.hprof的文件,后续可以使用堆内存分析工具(如Eclipse Memory Analyzer)等进行详细分析,在此不再展开。

2.1.4 jstack命令

jstack是JDK提供的一个可以生成JVM当前时刻的线程快照信息的命令行工具,可以探查在命令执行那一刻JVM中每个线程都在做什么。在实际使用中,可以每隔10秒钟执行一次,连续执行几次再对比分析,实际中的输出内多会比较多,建议转存到文件中方便分析。常用的命令如下:

jstack -l PID >> stack.log #结果输出到stack.log文件中

jstack命令部分结果jstack命令部分结果

上图是jstack命令的部分结果,显示名为logback-8的线程此刻正在等待状态,未执行实际的任务。

2.2 诊断三把斧

JVM进程假死其实就是线程不够用了,忙不过来,用以下三把斧依次施行,基本上能够覆盖90%以上场景。

2.2.1 看进程

首先,使用top命令对服务器的负载和进程的资源使用做一个评估。尤其关注top命令中的负载指标和进程的CPU、内存使用率。负载代表服务器的繁忙程度,它综合了CPU、IO等指标,负载/CPU数
> 1
代表服务器非常繁忙。当系统负载高时,而每一个进程的CPU都不高时,要考虑服务器是否已经过载,比如运行进程过多、IO瓶颈等。当某个进程的CPU使用高时,问题大概率出在该进程中,即可对该进程进行探查。(本文只讨论JVM,故进程特指JVM进程)

2.2.2 看内存

使用jstat命令查看JVM的内存状态。当JVM内存泄漏导致堆内存无法回收、堆内存不够用从而触发频繁的Full
GC时,JVM会停顿程序的执行进行全面的垃圾回收(stop the
world),此时程序将无法响应请求,GC线程会占用大量的CPU时间。当这种情况发生时,会出现进程CPU使用率很高,接近系统极限。堆内存中老年代空间使用比例接近或达到100%,FGC、FGCT在持续地上升(正常情况下Full
GC几小时甚至几天才执行一次)。

当判断为进程因内存问题而一直在Full

GC时,可以使用jmap命令将内存dump下来进行进一步的分析,查找内存泄漏的对象,进而进一步找到内存泄漏点。此外,值得注意的一点是如果堆内存本身设得很小,而程序需要的内存又很多,JVM会尝试去回收内存,也会出现频繁的Full
GC而导致CPU使用率升高的情况。这就需要具体问题具体分析了。

2.2.3 看线程

使用jstack命令查看线程状态。当操作系统、堆内存都无明显异常情况下,需要进一步探查每一个线程都在做什么。线程无法处理更多任务,要么是线程都很忙(单核
CPU 100%),要么是都在等待(CPU使用率不高),极少数是处于死锁状态,而这些都可以从jstack的命令结果中看出来。

jstack会显示每个线程当前所处的程序栈。如果多个线程处在同一个程序栈,那么要引起高度注意,可以通过连续几个间隔10秒左右的jstack结果查看该线程是否一直处于同一位置,如果是那么大概率是卡在了这里。如果是死循环,那么CPU使用率会很高,如果是等待IO,那么CPU使用率会很低。通过卡住的程序栈,可以较容易定位到代码行并进行进一步的分析了。

Part 03、 案例实战 

了解完基本的理论知识,下面通过实际工作中碰到的案例来使用三把斧进行分析。

3.1 案例一:IO等待

系统表现:界面无响应,请求API也无响应。

看进程:top命令显示系统负载很低,进程CPU、内存使用也无异常。

看内存:jstat命令显示堆内存表现正常:

jstat显示堆内存状态正常jstat显示堆内存状态正常

看线程:jstack命令显示绝大部分线程都卡在同一个地方:

出现io等待的线程出现io等待的线程

通过进一步检查AbstractProvinceServiceImpl.sendPost方法,发现是使用java原生的HttpUrlConnection来实现Http请求的方法,而该方法未设置超时时间,如果被调用方未返回会一直等待。

有缺陷的代码有缺陷的代码

至此,问题原因查明:因代码缺陷,在发起http请求时未设置超时时间,而恰好此时被调用方系统故障,无法及时返回,从而导致线程都卡在这里等待IO,无更多的线程来响应其他请求了。

3.2 案例二:死循环

系统表现:系统响应很慢,api请求有一定的错误率。

看进程:top命令显示系统负载较高(1核CPU),进程CPU达到190%,系统过载。

负载较高,进程CPU使用率较高负载较高,进程CPU使用率较高

看内存:jstat命令显示堆内存表现正常,无明显的内存问题。

看线程:多次间隔执行jstack命令,发现一部分进程一直卡在同一个地方:

出现死循环的线程出现死循环的线程

通过查看相关代码发现这里有个死循环,当变量cur一直不为null时,程序无法跳出循环。通过更进一步的分析,最终找数据库中的一条数据其CateParentId是自己,从而触发这个死循环的bug。

...


while (Objects.nonNull(cur)) { 
    allCateName.insert(0, "/"); 
    allCateName.insert(0, cur.getCateName()); 
    cur = goodsCatePOMap.get(cur.getCateParentId()); 
} 


...

Part 04、  总结 

对于Java服务端假死,可以通过本文介绍的三把斧,利用一些常用工具来对程序内部的运行状态进行分析。掌握这个方法后,基本上可以定位到工作中碰到的90%以上的java程序假死问题。下表是对可能的假死原因做一个简单的归纳总结:

假死原因

系统负载

进程CPU使用率

问题定位方案

内存泄漏/内存不够

jstat确认内存问题,jmap堆转储定位内存问题

死循环

jstat确认内存正常,jstack定位代码行

IO等待

jstack定位代码行

死锁

jstack定位死锁代码行

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