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[Java性能剖析]JPDA 2)JVM TI

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      参考:http://java.sun.com/javase/6/docs/platform/jvmti/jvmti.html
      JVM通过JVM TI为外部访问JVM内部状态定义了标准的服务,基本上各种性能剖析工具都是基于JVM TI及其前身JVM DI/JVM PI开发的,包括Visual VM、Eclipse TPTP(Test and Performance Tools Platform)的CPU Profiler和Memory Profiler,JVM TI的前身是JVM PI(JVM Profile Interface)和JVM DI(JVM Debug Interface),其中JVM PI在JDK6中已经被废弃,但仍然有不少剖析工具是基于JVM PI开发的,譬如JProfiler、TPTP都支持JVM PI。
      我们称一个JVM TI的客户端程序为Agent,Agent与JVM位于同一个进程内。JVM TI提供了两方面的接口:一方面提供了对JVM内部信息的查询,另一方面提供了一些事件,JVM TI Agent可以向JVM注册一些感兴趣的事件(譬如进入方面或加载了类),并在事件发生时获得JVM的通知。后面我们将大概地了解JVM TI具体会提供哪些功能。
       JVM TI接口使用C/C++语言开发,在代码中需要包含#include <jvmti.h>

      1.Agent启动:JVM TI Agent有两种启动方式,一种是与JVM一起启动,另一种是在JVM启动之后,通过Attach到该JVM(关于Attach,后续BLOG会详细介绍),然后让该JVM加载Agent
      1) 与JVM一起启动

-agentlib:<agent-lib-name>=<options>
The name following -agentlib: is the name of the library to load. Lookup of the library, both its full name and location, proceeds in a platform-specific manner. Typically, the <agent-lib-name> is expanded to an operating system specific file name. The <options> will be passed to the agent on start-up. For example, if the option -agentlib:foo=opt1,opt2 is specified, the VM will attempt to load the shared library foo.dll from the system PATH under WindowsTM or libfoo.so from the LD_LIBRARY_PATH under the SolarisTM operating environment.
-agentpath:<path-to-agent>=<options>
The path following -agentpath: is the absolute path from which to load the library. No library name expansion will occur. The <options> will be passed to the agent on start-up. For example, if the option -agentpath:c:\myLibs\foo.dll=opt1,opt2 is specified, the VM will attempt to load the shared library c:/myLibs/foo.dll.

     如上在JVM启动参数中指定启动Agent,譬如TPTP的性能剖析Agent就是使用这种方式装载的

-agentlib:JPIBootLoader=JPIAgent:server=enabled;CGProf;

    大家可能会很奇怪地发现,JVM的调试agent启动方式是如下,其实如下是JVMDI的方式,JDK5开始后开始支持-agentlib:jdwp的方式,详细参见《Connection and Invocation Details

-Xrunjdwp:transport=dt_shmem,address=jdbconn,server=y,suspend=n

    与JVM启动的Agent,JVM会回调如下接口对Agent进行初始化(可以理解为Agent的入口函数)

JNIEXPORT jint JNICALL Agent_OnLoad(JavaVM *vm, char *options, void *reserved)

     2) Attach后启动:我们可以在Client JVM上通过Attach API连接到被调试端的JVM上(大部分平台只支持本地进程Attach,Sun Solaris系统下的JVM支持Remote Attach),并在被调试的JVM上加载Agent。这种方式的好处在于我们并不需要在被调试/剖析端上事先指定参数,而是在需要调试/剖析的时候,才去加载调试/剖析Agent。由于需要依赖Attach API,大部分剖析工具需要支持JDK6以下版本的工具大都不支持这种方式(譬如TPTP),Visual VM虽然支持这种方式对JVM进行剖析,可惜的是Visual JVM对于性能剖析部分只支持本地的JVM。(Visual VM远程剖析架构上比较简单,具体讲到Visual VM再说明)
     这种方式启动的Agent,JVM会回调如下接口对Agent进行初始化(可以理解为Agent的入口函数)

JNIEXPORT jint JNICALL Agent_OnAttach(JavaVM* vm, char *options, void *reserved)

    在启动之后我们可以通过如下方式获得一个jvmtiEnv指针,而jvmtiEnv代表了与JVM的连接,所有的功能都可以通过jvmtiEnv指针来获得

jvmtiEnv *jvmti;
...
(*jvm)->GetEnv(jvm, &jvmti, JVMTI_VERSION_1_0);

     2.Agent结束:在JVM退出的时候,会回调Agent的结束接口,我们可以通过该回调来进行一些资源释放的工作

JNIEXPORT void JNICALL Agent_OnUnload(JavaVM *vm);

     3.查询接口
     我们通过查询接口获取到JVM的内部信息或者做事件注册,JVM TI提供了如下的接口,下面我们预览一下主要的功能,了解JVM为我们提供了些什么

     1)辅助功能

  • Memory Management系列:JVM TI为Agent提供了内存分配和释放的接口,这个功能与JVM内部无关
  • Raw Monitor系列:类似于互排斥量,通过Raw Monitor来保护执行区域,与Memory Management系列一样是一个辅助性的功能

     2)调试

  • Force Early Return系列:这个系列能够控制JVM终止当前正在执行的函数,并返回一个值回去
  • Local Variable系列:通过这个系列可以修改本地变量的值,主要用于调试用途
  • Breakpoint系列:可以通过这个系列设置断点、清除断点,主要用于调试用途
  • Watched Field系列:通过这个系列设置要观察的属性,当属性被访问时触发事件回调(相当于注册事件)

     3)线程

  • Thread系列:这个系列提供了JVM线程相关信息的访问,包括获得所有线程信息、获得当前线程信息、获得线程状态、获得线程栈、挂起线程、停止线程、打断线程(Interrupt)、获得线程Monitor等等
  • Thread Group系列:这个系列提供了JVM线程组相关信息的访问,包括获得线程组及组下的线程信息等等
    Stack Frame系列:这个系列提供了访问JVM线程堆栈信息,一般线程系列联合使用,包括获得所有线程栈、获得指定线程的线程栈、获得栈深度、获得栈位置、POP出栈等
  • Stack Frame系列:这个系列提供了访问JVM线程堆栈信息,一般线程系列联合使用,包括获得所有线程栈、获得指定线程的线程栈、获得栈深度、获得栈位置、POP出栈等

     4)堆

  • Heap/ Heap (1.0)系列:通过这个系列可以访问堆内存中的对象数据,包括遍历、打TAG(后续可以通过TAG查询到所有打了TAG的对象)、GC、遍历某个类的对象等等
  • Class系列:通过这个系列可以对加载类访问和处理,包括获得类信息、获得加载器信息、重新加载类定义等。其中我们可以通过java.lang.instrutment,使用Java语言实现重新加载类定义的功能。
    Object系列:获得对象相关的信息,譬如对象的大小、HashCode和Monitor。
  • Field/Method系列:获取属性相关的信息,相当于C/C++版的java.lang.reflect,除此之外提供了一些额外的信息,譬如可以获取到方法的字节码、Max Locals(即jvm汇编中的 .limit local xx 这个汇编指令中的xx)
  • Class Loader Search系列:通过这个系列可以增加类加载路径,譬如BootstrapClassLoader的搜索路径(默认是jre/lib)、譬如SystemClassLoader的搜索路径(classpath定义)

     5)JNI

  • JNI Function Interception系列:这个系列通过修改JNI Table的方式提供对JNI方法的拦截,可以理解为JNI函数的一个拦截器

     6)事件

  • Event Management系列:通过这个系列的API我们可以向JVM设置回调方法,JVM在事件发生时回调这些方法,譬如进入方法的事件、线程停止的事件等。一般用于调试,虽然也可以通过事件的方式来进行性能剖析(譬如拦截方法的进入和退出事件),但使用直接字节码增强的方式在性能上会更加有效。具体可以处理的事件可以参见后面的事件部分。

     7)杂项

  • Extension Mechanism系列:这个系列允许JVM TI的实现者(JVM)在基准API的基础上提供更丰富的功能,譬如定义新的事件类型等。
  • Capability系列:相当于告诉JVM TI需要允许访问哪些功能,对于JVM TI来说,有些功能(Capability)默认是提供的(Required Functionality),即不需要Agent告诉(调用Capability的接口)JVM TI,而对一些则是默认不提供的(Optional Functionality),在获取该功能之前,Agent必须先告诉(调用Capability的接口)JVM TI。哪些是Required哪些是Optional,可以参阅JVM TI参考文档的jvmtiCapabilities - The Capabilities Structure部分 )
  • Timers系列:可以通过这个系列获得时间相关的信息,譬如线程的CPU时间等
  • System Properties系列:相当于C/C++版的System.getProperty/System.setProperty/System.getProperties
  • General系列:杂项,包括C/C++版的System的env功能、获得版本号、Verbose Flag设置等

     4.事件
     如下是JVM TI支持的一些事件的回调方法格式,通过如上的Event Management系列注册回调方法,而具体回调方法的格式将在此定义,详细可参见JVM TI参考文档的Event Index 部分

  • Breakpoint
  • Class File Load Hook/Class Load/Class Prepare
  • Compiled Method Load/Compiled Method Unload
  • Data Dump Request
  • Dynamic Code Generated
  • Exception/Exception Catch
  • Field Access/Field Modification
  • Frame Pop
  • Garbage Collection Finish/Garbage Collection Start
  • Method Entry/Method Exit
  • Monitor Contended Enter/Monitor Contended Entered/Monitor Wait/Monitor Waited
  • Native Method Bind
  • Object Free
  • Resource Exhausted
  • Single Step
  • Thread End/Thread Start
  • VM Death Event/VM Initialization Event/VM Object Allocation

      5.实现范例讲解(jvm hprof):
      Hprof是JVM自带的一个堆/性能剖析工具,具体详细功能说明可以参见Hprof说明文档 。本部分将通过分析Hprof的执行剖析(CPU Sample)部分的源码,来了解我们如何利用JVM TI进行相关的性能剖析的。
      Hprof的CPU Sample功能处理原理上是定期地分析线程中的信息,在处理上我们需要的功能是定时触发和分析线程信息。Hprof的代码可以在JAVA_HOME/demo/jvmti/hprof中获取。
      1)启动和停止:首先我们要定义的当时就是Agetn的启动和停止回调

(hprof_init.h)
JNIEXPORT jint JNICALL Agent_OnLoad(JavaVM *vm, char *options, void *reserved);
JNIEXPORT void JNICALL Agent_OnUnload(JavaVM *vm);

       在hprof_init.c中定义了这两个回调的函数的实现,其中Agent_OnLoad我们可以理解为入口的函数,我们将从这个地方开始
     2)获得jvmtiEnv:如我们前面知道的,jvmtiEnv代表了一个同向JVM内部的连接,在调用任何功能之前,我们首先需要获jvmtiEnv的指针

(hprof_init.c)
jvmtiEnv         *jvmti = NULL;
jint              res;
jint              jvmtiCompileTimeMajorVersion;
jint              jvmtiCompileTimeMinorVersion;
jint              jvmtiCompileTimeMicroVersion;

res = JVM_FUNC_PTR(gdata->jvm,GetEnv)
                (gdata->jvm, (void **)&jvmti, JVMTI_VERSION_1);
/* 此处把宏JVM_FUNC_PTR展开,变成
 *(*((*(env))->GetEnv))(gdata->jvm, (void **)&jvmti, JVMTI_VERSION_1)
*/

 

     3)设置Capability:对一些Optional的功能,我们要通过设置Capability开启相应的功能,譬如如下部分

(hprof_init.c)
jvmtiCapabilities needed_capabilities;
jvmtiCapabilities potential_capabilities;
……
if (gdata->cpu_timing || gdata->cpu_sampling) {
#if 0 /* Not needed until we call JVMTI for CpuTime */
    needed_capabilities.can_get_thread_cpu_time              = 1;
    needed_capabilities.can_get_current_thread_cpu_time      = 1;
#endif
    needed_capabilities.can_generate_exception_events        = 1;
}
……

    最后进行一个addCapability的操作

(hprof_init.c)
void addCapabilities(jvmtiCapabilities *pcapabilities)
{
    jvmtiError error;

    error = JVMTI_FUNC_PTR(gdata->jvmti,AddCapabilities)
                (gdata->jvmti, pcapabilities);
    if (error != JVMTI_ERROR_NONE) {
        HPROF_ERROR(JNI_FALSE, "Unable to get necessary JVMTI capabilities.");
        error_exit_process(1); /* Kill entire process, no core dump wanted */
    }
}

   4)注册事件回调和注册时间:接下来我们需要注册回调方法,对于我们的范例,我们需要关注VM初始化事件,在初始化事件中开始Sample线程

static void set_callbacks(jboolean on)
{
    jvmtiEventCallbacks callbacks;
   
    (void)memset(&callbacks,0,sizeof(callbacks));
    if ( ! on ) {
        setEventCallbacks(&callbacks);
    return;
    }
   
    /* JVMTI_EVENT_VM_INIT */
    callbacks.VMInit                     = &cbVMInit;
    /* JVMTI_EVENT_VM_DEATH */
    callbacks.VMDeath                    = &cbVMDeath;

……
}

static void setup_event_mode(jboolean onload_set_only, jvmtiEventMode state)
{
    if ( onload_set_only ) {
    setEventNotificationMode(state,
            JVMTI_EVENT_VM_INIT,                   NULL);
    setEventNotificationMode(state,
            JVMTI_EVENT_VM_DEATH,                  NULL);
……
}

     OK,一切准备就绪,坐等VM初始化事件发生

   5)VM初始化时间:VM开始初始化,我们创建Sample线程(我们在上面设置的VM初始化事件回调是cbVMInit)

(hprof_init.c)
static void JNICALL cbVMInit(jvmtiEnv *jvmti, JNIEnv *env, jthread thread)
{
    ……
    /* Start up cpu sampling thread if we need it */
    if ( gdata->cpu_sampling ) {
    /* Note: this could also get started later (see cpu) */
    cpu_sample_init(env);
} 
……
}
(hprof_cpu.c)
void cpu_sample_init(JNIEnv *env)
{
    gdata->cpu_sampling  = JNI_TRUE;

    /* Create the raw monitors needed */
    gdata->cpu_loop_lock = createRawMonitor("HPROF cpu loop lock");
    gdata->cpu_sample_lock = createRawMonitor("HPROF cpu sample lock");
   
    rawMonitorEnter(gdata->cpu_loop_lock); {
    createAgentThread(env, "HPROF cpu sampling thread",
                &cpu_loop_function);
    /* Wait for cpu_loop_function() to notify us it has started. */
    rawMonitorWait(gdata->cpu_loop_lock, 0);
    } rawMonitorExit(gdata->cpu_loop_lock);
}

    6)利用RawMonitor做定时器

(hprof_cpu.c)
static void JNICALL cpu_loop_function(jvmtiEnv *jvmti, JNIEnv *env, void *p)
{
     ……
     /* This is the normal short timed wait before getting a sample */
     rawMonitorWait(gdata->cpu_sample_lock,  (jlong)gdata->sample_interval);
     ……
    /* Sample all the threads and update trace costs */
    if ( !gdata->pause_cpu_sampling) {
            tls_sample_all_threads(env);
    }
     ……
}

    7)分析线程信息

(hprof_tls.c)
/* Sample ALL threads and update the trace costs */
void
tls_sample_all_threads(JNIEnv *env)
{
    ThreadList    list;
    jthread      *threads;
    SerialNumber *serial_nums;
   
    table_lock_enter(gdata->tls_table); {
    int           max_count;
    int           nbytes;
    int           i;
 
    /* Get buffers to hold thread list and serial number list */
    max_count   = table_element_count(gdata->tls_table);
    nbytes      = (int)sizeof(jthread)*max_count;
    threads     = (jthread*)HPROF_MALLOC(nbytes);
    nbytes      = (int)sizeof(SerialNumber)*max_count;
    serial_nums = (SerialNumber*)HPROF_MALLOC(nbytes);
   
    /* Get list of threads and serial numbers */
    list.threads     = threads;
    list.infos       = NULL;
    list.serial_nums = serial_nums;
    list.count       = 0;
    list.env         = env;
        table_walk_items(gdata->tls_table, &get_thread_list, (void*)&list);
   
    /* Increment the cost on the traces for these threads */
    trace_increment_all_sample_costs(list.count, threads, serial_nums,
                  gdata->max_trace_depth, JNI_FALSE);

    /* Loop over local refs and free them */
    for ( i = 0 ; i < list.count ; i++ ) {
        if ( threads[i] != NULL ) {
        deleteLocalReference(env, threads[i]);
        }
    }

    } table_lock_exit(gdata->tls_table);
   
    /* Free up allocated space */
    HPROF_FREE(threads);
    HPROF_FREE(serial_nums);

}
 

 

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    内容概要:本文详细介绍了如何使用MATLAB进行频谱和功率谱分析,涵盖了从基础概念到高级应用的各个方面。首先,通过生成人工信号并绘制时域图,帮助读者熟悉基本操作。接着,深入探讨了频谱分析的关键步骤,如快速傅里叶变换(FFT)、窗口函数的选择、频谱横坐标的正确转换等。对于功率谱分析,则介绍了Welch法及其具体实现。针对真实数据处理,讨论了如何读取外部数据、处理非均匀采样、去除趋势项等问题,并提供了多种实用技巧,如滑动平均、自动标注主要频率成分等。此外,还强调了一些常见的错误和注意事项,确保读者能够避免常见陷阱。 适用人群:适用于具有一定MATLAB基础的科研人员、工程师和技术爱好者,特别是那些从事信号处理、通信工程、机械振动分析等领域的人士。 使用场景及目标:① 学习如何使用MATLAB进行频谱和功率谱分析;② 掌握处理实际工程中复杂信号的方法;③ 提高对信号特征的理解能力,以便更好地应用于故障诊断、质量检测等实际工作中。 其他说明:文中提供的代码片段可以直接用于实践,读者可以根据自己的需求进行适当修改。通过跟随文中的步骤,读者不仅能够学会如何绘制频谱图和功率谱图,还能深入了解背后的数学原理和技术细节。 标签1,MATLAB,频谱分析,功率谱,Welch法,FFT

    基于FAST与MATLAB/Simulink的5MW风力发电机PID变桨控制联合仿真研究

    内容概要:本文详细介绍了基于FAST与MATLAB/Simulink联合仿真平台,对5MW非线性风力发电机进行统一变桨(CPC)和独立变桨(IPC)控制策略的研究。首先,通过将OpenFAST编译成Simulink可调用的S-Function模块,构建了联合仿真环境。接着,分别实现了统一变桨和独立变桨的PID控制器,并在三维湍流风场中进行了性能测试。结果显示,独立变桨在转速稳定性和载荷控制方面表现出色,能够显著降低叶根挥舞弯矩和偏航力矩,从而提高风机的可靠性和使用寿命。然而,独立变桨也带来了作动器磨损增加的问题。 适合人群:从事风电控制系统设计、仿真建模以及希望深入了解变桨控制策略的研发工程师和技术研究人员。 使用场景及目标:适用于需要评估不同变桨控制策略在复杂风场条件下的性能表现,优化风机运行效率和可靠性,以及探索新的控制算法的应用场景。 其他说明:文中提供了详细的模型搭建步骤、关键代码片段和仿真结果分析,并附有相关参考文献和GitHub资源链接,方便读者进一步深入研究。

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