Java线程栈的获取和分析

获取进程号
使用命令：jps
常用参数：

-m 输出传递给main方法的参数，如果是内嵌的JVM则输出为null。
-l 输出应用程序主类的完整包名，或者是应用程序JAR文件的完整路径。
-v 输出传给JVM的参数。
示例：




线程栈的获取

使用命令：jstack，通常使用管道将信息输出到文件，便于分析

常用参数：
-F 当jstack没有响应的时候强制打印栈信息。
-l 打印关于锁的附加信息，例如属于java.util.concurrent的ownable synchronizers列表。

-m 打印java和native c/c++框架的所有栈信息。

示例：




线程栈内容示例

2016-03-07 18:04:57
Full thread dump Java HotSpot(TM) Client VM (24.80-b11 mixed mode):

"Attach Listener" daemon prio=10 tid=0xb7675000 nid=0x4a9 waiting on condition [0x00000000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLE

Locked ownable synchronizers:
- None

"Service Thread" daemon prio=10 tid=0xb766ec00 nid=0x44a runnable [0x00000000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLE

Locked ownable synchronizers:
- None

"C1 CompilerThread0" daemon prio=10 tid=0xb766d000 nid=0x449 waiting on condition [0x00000000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLE

Locked ownable synchronizers:
- None

"Signal Dispatcher" daemon prio=10 tid=0xb766b400 nid=0x448 runnable [0x00000000]
java.lang.Thread.State: RUNNABLE

Locked ownable synchronizers:
- None

"Finalizer" daemon prio=10 tid=0xb765ac00 nid=0x447 in Object.wait() [0xa14ad000]
java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on <0xa1a04750> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:135)
- locked <0xa1a04750> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:151)
at java.lang.ref.Finalizer$FinalizerThread.run(Finalizer.java:209)

Locked ownable synchronizers:
- None

"Reference Handler" daemon prio=10 tid=0xb7659400 nid=0x446 in Object.wait() [0xa14fe000]
java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
at java.lang.Object.wait(Native Method)
- waiting on <0xa1a043b8> (a java.lang.ref.Reference$Lock)
at java.lang.Object.wait(Object.java:503)
at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:133)
- locked <0xa1a043b8> (a java.lang.ref.Reference$Lock)

Locked ownable synchronizers:
- None

"main" prio=10 tid=0xb7606400 nid=0x444 waiting on condition [0xb77f2000]
java.lang.Thread.State: TIMED_WAITING (sleeping)
at java.lang.Thread.sleep(Native Method)
at Test.main(Test.java:5)

Locked ownable synchronizers:
- None

"VM Thread" prio=10 tid=0xb7656800 nid=0x445 runnable

"VM Periodic Task Thread" prio=10 tid=0xb7671400 nid=0x44b waiting on condition

JNI global references: 125

线程栈各部分介绍
　　头部信息：
　　示例：
　　2016-03-07 18:04:57
　　Full thread dump Java HotSpot(TM) Client VM (24.80-b11 mixed mode):
　　内容：
　　时间，jvm信息
　　
　　线程info信息块：
　　示例：
　　"Finalizer" daemon prio=10 tid=0xb765ac00 nid=0x447 in Object.wait() [0xa14ad000]
　　 java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
　　at java.lang.Object.wait(Native Method)
　　- waiting on <0xa1a04750> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
　　at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:135)
　　- locked <0xa1a04750> (a java.lang.ref.ReferenceQueue$Lock)
　　at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:151)
　　at java.lang.ref.Finalizer$FinalizerThread.run(Finalizer.java:209)
　　
　　 Locked ownable synchronizers:
　　- None
　　内容：
　　线程名称：如Finalizer
　　线程类型：如daemon
　　优先级: 10，默认是5，如prio=10
　　jvm线程id：tid=0xb765ac00，jvm内部线程的唯一标识（通过java.lang.Thread.getId()获取，通常用自增方式实现。）
　　对应系统线程id（Native Thread ID）：nid=0x447，和top命令查看的线程pid对应，不过一个是10进制，一个是16进制。（通过命令：top -H -p pid，可以查看该进程的所有线程信息）
　　线程状态：in Object.wait().
　　起始栈地址：[0xa14ad000]
　　线程栈部分：包括线程当前状态和线程栈

线程栈分析工具
　　IBM Thread and Monitor Dump Analyzer for Java
　　官网主页：https://www.ibm.com/developerworks/community/groups/service/html/communityview?communityUuid=2245aa39-fa5c-4475-b891-14c205f7333c&lang=zh
　　该工具是一个Jar包，可以使用命令启动

java -jar jca457.jar

　　工作界面如下





JVM中的线程状态
　　线程在JVM中的各个状态
　　1.死锁，Deadlock（重点关注）
　　2.执行中，Runnable（重点关注）
　　3.等待资源，Waiting on condition（重点关注）
　　4.等待监控器检查资源，Waiting on monitor(eg:如果使用System.out.println等需要分配计算机资源的时候线程会如此等待,主要还需看堆栈)
　　5.暂停，Suspended
　　6.对象等待中，Object.wait()
　　7.阻塞，Blocked（重点关注）
　　8.停止，Parked(主要是指线程空闲时候的状态。如在线程池中，当线程被调用后再次放入到池子中，则其状态变为了Parked)

JVM的Thin Lock, Fat Lock, Spin Lock与Tasuki Lock
　　Java很多ThreadDump中，都可以看到Thin Lock, Fat Lock, Spin Lock，这些Lock都与Java语言、OS有密切的关系。
　　回到一个简单的问题，在Java中，如何实现Synchronizd？
　　最简单的一种做法是，利用OS的mutex机制，把Java的同步（基于Object），翻译成OS相关的monitor_enter和monitor_exit原语。
　　回到Java锁本身，锁在不同的应用下有着不同的统计表现，而大部分的统计数据表明，其实线程抢锁，即锁竞争，都是短暂的，在大部分的情况下，几乎都不会发生锁竞争的现象。
　　也就是说，Java锁，从安全性的角度来看，是有点累赘。
　　因此，大量的专家都在锁上针对这样的统计特性对Java锁进行优化。
　　其中一种优化方案是，我们对所有的锁都需要monitor_enter和monitor_exit吗？事实上不需要。
　　如果我们把monitor_enter/monitor_exit看成是Fat Lock方式，则可以把Thin Lock看成是一种基于CAS（Compare and Swap）的简易实现。
　　这两种锁，简单一点理解，就是：
　　而基于CAS方式的实现，线程进入竞争状态的，获得锁的线程，会让其他线程处于自旋状态（也称之为Spin Mode，即自旋），这是一种while(Lock_release) doStuff()的Busy-Wait方式，是一种耗CPU的方式；而Fat Lock方式下，一个线程获得锁的时候，其他线程可以先sleep，等锁释放后，再唤醒（Notify）。
　　CAS的优点是快，如果没有线程竞争的情况下，因为CAS只需要一个指令便获得锁，所以称之为Thin Lock，缺点也是很明显的，即如果频繁发生线程竞争，CAS是低效，主要表现为，排斥在锁之外的线程是Busy Wait状态；而monitor_enter/monitor_exit/monitor_notify方式，则是重量级的，在线程产生竞争的时候，Fat Lock在OS mutex方式下，可以实现no busy-wait。
　　于是，JVM早期版本的做法是，如果T1, T2，T3，T4...产生线程竞争，则T1通过CAS获得锁(此时是Thin Lock方式)，如果T1在CAS期间获得锁，则T2，T3进入SPIN状态直到T1释放锁；而第二个获得锁的线程，比如T2，会将锁升级（Inflation）为Fat Lock，于是，以后尝试获得锁的线程都使用Mutex方式获得锁。
　　这种设计为锁提供了两条路径：Thin Lock路径和Fat Lock路径，大部分情况下，可能都是走Thin Lock路径，而可能少部分情况，是走Fat Lock路径，这种方式提供了锁升级，但是避免不了Busy Wait，而且Thin-Lock升级Fat-Lock之后，没有办法回退到Thin-Lock（性能比Fat-Lock更好）。
　　Tasuki锁为这种方式做了2个优化：
　　1) 避免CAS导致Busy wait
　　2) Fat Lock可以deflate(与Inflate刚好相反)为Thin Lock(之前是Thin Lock变成Fat Lock之后便不能再回退)。
　　经过这样的改造后，锁性能提高了10%以上。
　　目前，Oracle的BEA JRockit与IBM的JVM都实现了Tasuki锁机制，唯一的不同是，在锁实现上都做了不同启发式的设计，即根据运行时采样的数据，动态调整一些权值数据，一边左右Lock Inflation/Lock Defaltion的过程（一颗树的两个分支），获取更好的锁性能。

参考文献
　　Java线程池中线程的状态简介
　　性能分析之-- JAVA Thread Dump 分析综述

　　关于JVM的Thin Lock, Fat Lock, SPIN Lock与Tasuki Lock