Java内存泄漏分析系列之二:jstack生成的Thread Dump日志结构解析

  • 2017-10-19
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上一篇文章讲述了如何使用jstack生成日志文件,这篇文章首先对Thread Dump日志文件的结构进行分析。

一个典型的thread dump文件主要由一下几个部分组成:


上图将JVM上的线程堆栈信息和线程信息做了详细的拆解。

第一部分:Full thread dump identifier

这一部分是内容最开始的部分,展示了快照文件的生成时间和JVM的版本信息。

2017-10-19 10:46:44
Full thread dump Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (24.79-b02 mixed mode):

第二部分:Java EE middleware, third party & custom application Threads

这是整个文件的核心部分,里面展示了JavaEE容器(如tomcat、resin等)、自己的程序中所使用的线程信息。这一部分详细的含义见 Java内存泄漏分析系列之四:jstack生成的Thread Dump日志线程状态分析

"resin-22129" daemon prio=10 tid=0x00007fbe5c34e000 nid=0x4cb1 waiting on condition [0x00007fbe4ff7c000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
    at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
    at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:315)
    at com.caucho.env.thread2.ResinThread2.park(ResinThread2.java:196)
    at com.caucho.env.thread2.ResinThread2.runTasks(ResinThread2.java:147)
    at com.caucho.env.thread2.ResinThread2.run(ResinThread2.java:118)

第三部分:HotSpot VM Thread

这一部分展示了JVM内部线程的信息,用于执行内部的原生操作。下面常见的集中内置线程:

"Attach Listener"

该线程负责接收外部命令,执行该命令并把结果返回给调用者,此种类型的线程通常在桌面程序中出现。

"Attach Listener" daemon prio=5 tid=0x00007fc6b6800800 nid=0x3b07 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"DestroyJavaVM"

执行main()的线程在执行完之后调用JNI中的 jni_DestroyJavaVM() 方法会唤起DestroyJavaVM 线程。在JBoss启动之后,也会唤起DestroyJavaVM线程,处于等待状态,等待其它线程(java线程和native线程)退出时通知它卸载JVM。

"DestroyJavaVM" prio=5 tid=0x00007fc6b3001000 nid=0x1903 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Service Thread"

用于启动服务的线程

"Service Thread" daemon prio=10 tid=0x00007fbea81b3000 nid=0x5f2 runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"CompilerThread"

用来调用JITing,实时编译装卸CLASS。通常JVM会启动多个线程来处理这部分工作,线程名称后面的数字也会累加,比如CompilerThread1。

"C2 CompilerThread1" daemon prio=10 tid=0x00007fbea814b000 nid=0x5f1 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"C2 CompilerThread0" daemon prio=10 tid=0x00007fbea8142000 nid=0x5f0 waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Signal Dispatcher"

Attach Listener线程的职责是接收外部jvm命令,当命令接收成功后,会交给signal dispather 线程去进行分发到各个不同的模块处理命令,并且返回处理结果。
signal dispather线程也是在第一次接收外部jvm命令时,进行初始化工作。

"Signal Dispatcher" daemon prio=10 tid=0x00007fbea81bf800 nid=0x5ef runnable [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

"Finalizer"

这个线程也是在main线程之后创建的,其优先级为10,主要用于在垃圾收集前,调用对象的finalize()方法;关于Finalizer线程的几点:
(1)只有当开始一轮垃圾收集时,才会开始调用finalize()方法;因此并不是所有对象的finalize()方法都会被执行;
(2)该线程也是daemon线程,因此如果虚拟机中没有其他非daemon线程,不管该线程有没有执行完finalize()方法,JVM也会退出;
(3)JVM在垃圾收集时会将失去引用的对象包装成Finalizer对象(Reference的实现),并放入ReferenceQueue,由Finalizer线程来处理;最后将该Finalizer对象的引用置为null,由垃圾收集器来回收;
(4)JVM为什么要单独用一个线程来执行finalize()方法呢?
如果JVM的垃圾收集线程自己来做,很有可能由于在finalize()方法中误操作导致GC线程停止或不可控,这对GC线程来说是一种灾难。

"Finalizer" daemon prio=10 tid=0x00007fbea80da000 nid=0x5eb in Object.wait() [0x00007fbeac044000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
    at java.lang.Object.wait(Native Method)
    at java.lang.ref.ReferenceQueue.remove(ReferenceQueue.java:135)
    - locked <0x00000006d173c1a8> (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)

"Reference Handler"

JVM在创建main线程后就创建Reference Handler线程,其优先级最高,为10,它主要用于处理引用对象本身(软引用、弱引用、虚引用)的垃圾回收问题 。

"Reference Handler" daemon prio=10 tid=0x00007fbea80d8000 nid=0x5ea in Object.wait() [0x00007fbeac085000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (on object monitor)
    at java.lang.Object.wait(Native Method)
    at java.lang.Object.wait(Object.java:503)
    at java.lang.ref.Reference$ReferenceHandler.run(Reference.java:133)
    - locked <0x00000006d173c1f0> (a java.lang.ref.Reference$Lock)

"VM Thread"

JVM中线程的母体,根据HotSpot源码中关于vmThread.hpp里面的注释,它是一个单例的对象(最原始的线程)会产生或触发所有其他的线程,这个单例的VM线程是会被其他线程所使用来做一些VM操作(如清扫垃圾等)。
在 VM Thread 的结构体里有一个VMOperationQueue列队,所有的VM线程操作(vm_operation)都会被保存到这个列队当中,VMThread 本身就是一个线程,它的线程负责执行一个自轮询的loop函数(具体可以参考:VMThread.cpp里面的void VMThread::loop()) ,该loop函数从VMOperationQueue列队中按照优先级取出当前需要执行的操作对象(VM_Operation),并且调用VM_Operation->evaluate函数去执行该操作类型本身的业务逻辑。
VM操作类型被定义在vm_operations.hpp文件内,列举几个:ThreadStop、ThreadDump、PrintThreads、GenCollectFull、GenCollectFullConcurrent、CMS_Initial_Mark、CMS_Final_Remark….. 有兴趣的同学,可以自己去查看源文件。

"VM Thread" prio=10 tid=0x00007fbea80d3800 nid=0x5e9 runnable

第四部分:HotSpot GC Thread

JVM中用于进行资源回收的线程,包括以下几种类型的线程:

"VM Periodic Task Thread"

该线程是JVM周期性任务调度的线程,它由WatcherThread创建,是一个单例对象。该线程在JVM内使用得比较频繁,比如:定期的内存监控、JVM运行状况监控。

"VM Periodic Task Thread" prio=10 tid=0x00007fbea82ae800 nid=0x5fa waiting on condition

可以使用jstat 命令查看GC的情况,比如查看某个进程没有存活必要的引用可以使用命令 jstat -gcutil <pid> 250 7 参数中pid是进程id,后面的250和7表示每250毫秒打印一次,总共打印7次。
这对于防止因为应用代码中直接使用native库或者第三方的一些监控工具的内存泄漏有非常大的帮助。

"GC task thread#0 (ParallelGC)"

垃圾回收线程,该线程会负责进行垃圾回收。通常JVM会启动多个线程来处理这个工作,线程名称中#后面的数字也会累加。

"GC task thread#0 (ParallelGC)" prio=5 tid=0x00007fc6b480d000 nid=0x2503 runnable

"GC task thread#1 (ParallelGC)" prio=5 tid=0x00007fc6b2812000 nid=0x2703 runnable

"GC task thread#2 (ParallelGC)" prio=5 tid=0x00007fc6b2812800 nid=0x2903 runnable

"GC task thread#3 (ParallelGC)" prio=5 tid=0x00007fc6b2813000 nid=0x2b03 runnable

如果在JVM中增加了 -XX:+UseConcMarkSweepGC 参数将会启用CMS (Concurrent Mark-Sweep)GC Thread方式,以下是该模式下的线程类型:

"Gang worker#0 (Parallel GC Threads)"

原来垃圾回收线程GC task thread#0 (ParallelGC) 被替换为 Gang worker#0 (Parallel GC Threads)。Gang worker 是JVM用于年轻代垃圾回收(minor gc)的线程。

"Gang worker#0 (Parallel GC Threads)" prio=10 tid=0x00007fbea801b800 nid=0x5e4 runnable 

"Gang worker#1 (Parallel GC Threads)" prio=10 tid=0x00007fbea801d800 nid=0x5e7 runnable 

"Concurrent Mark-Sweep GC Thread"

并发标记清除垃圾回收器(就是通常所说的CMS GC)线程, 该线程主要针对于年老代垃圾回收。

"Concurrent Mark-Sweep GC Thread" prio=10 tid=0x00007fbea8073800 nid=0x5e8 runnable 

"Surrogate Locker Thread (Concurrent GC)"

此线程主要配合CMS垃圾回收器来使用,是一个守护线程,主要负责处理GC过程中Java层的Reference(指软引用、弱引用等等)与jvm 内部层面的对象状态同步。

"Surrogate Locker Thread (Concurrent GC)" daemon prio=10 tid=0x00007fbea8158800 nid=0x5ee waiting on condition [0x0000000000000000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE

这里以 WeakHashMap 为例进行说明,首先是一个关键点:

  • WeakHashMap和HashMap一样,内部有一个Entry[]数组;
  • WeakHashMap的Entry比较特殊,它的继承体系结构为Entry->WeakReference->Reference;
  • Reference 里面有一个全局锁对象:Lock,它也被称为pending_lock,注意:它是静态对象;
  • Reference 里面有一个静态变量:pending;
  • Reference 里面有一个静态内部类:ReferenceHandler的线程,它在static块里面被初始化并且启动,启动完成后处于wait状态,它在一个Lock同步锁模块中等待;
  • WeakHashMap里面还实例化了一个ReferenceQueue列队

假设,WeakHashMap对象里面已经保存了很多对象的引用,JVM 在进行CMS GC的时候会创建一个ConcurrentMarkSweepThread(简称CMST)线程去进行GC。ConcurrentMarkSweepThread线程被创建的同时会创建一个SurrogateLockerThread(简称SLT)线程并且启动它,SLT启动之后,处于等待阶段。
CMST开始GC时,会发一个消息给SLT让它去获取Java层Reference对象的全局锁:Lock。直到CMS GC完毕之后,JVM 会将WeakHashMap中所有被回收的对象所属的WeakReference容器对象放入到Reference 的pending属性当中(每次GC完毕之后,pending属性基本上都不会为null了),然后通知SLT释放并且notify全局锁:Lock。此时激活了ReferenceHandler线程的run方法,使其脱离wait状态,开始工作了。
ReferenceHandler这个线程会将pending中的所有WeakReference对象都移动到它们各自的列队当中,比如当前这个WeakReference属于某个WeakHashMap对象,那么它就会被放入相应的ReferenceQueue列队里面(该列队是链表结构)。 当我们下次从WeakHashMap对象里面get、put数据或者调用size方法的时候,WeakHashMap就会将ReferenceQueue列队中的WeakReference依依poll出来去和Entry[]数据做比较,如果发现相同的,则说明这个Entry所保存的对象已经被GC掉了,那么将Entry[]内的Entry对象剔除掉。

第五部分:JNI global references count

这一部分主要回收那些在native代码上被引用,但在java代码中却没有存活必要的引用,对于防止因为应用代码中直接使用native库或第三方的一些监控工具的内存泄漏有非常大的帮助。

JNI global references: 830

下一篇文章将要讲述一个直接找出CPU 100%线程的例子。

参考资料:
JVM: How to analyze Thread Dump | 中文版
Java_010:JVM内部线程功能说明(摘录+整理)
How to analyze Thread Dump – Part 5: Thread Stack Trace
虚拟机stack全分析
Linux使用jstat命令查看jvm的GC情况

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