Java SE 6 新特性: JMX 与系统管理

2006 年底，Sun 公司发布了 Java Standard Edition 6（Java SE 6）的最终正式版，代号 Mustang（野马）。跟 Tiger（Java SE 5）相比，Mustang 在性能方面有了不错的提升。与 Tiger 在 API 库方面的大幅度加强相比，虽然 Mustang 在 API 库方面的新特性显得不太多，但是也提供了许多实用和方便的功能：在脚本，WebService，XML，编译器 API，数据库，JMX，网络和 Instrumentation 方面都有不错的新特性和功能加强。 本系列 文章主要介绍 Java SE 6 在 API 库方面的部分新特性，通过一些例子和讲解，帮助开发者在编程实践当中更好的运用 Java SE 6，提高开发效率。

本文是其中的第三篇，介绍了 Java 管理扩展（Java Management Extension，JMX） 架构及其框架，以及在 Java SE 5 中新引入的 JMX API -- java.lang.management 包， 最后作者讲述了此 API 在 Java SE 6 中的相关改进和对未来版本的展望

前言

在 Java 程序的运行过程中，对 JVM 和系统的监测一直是 Java 开发人员在开发过程所需要的。一直以来，Java 开发人员必须通过一些底层的 JVM API，比如 JVMPI 和 JVMTI 等，才能监测 Java 程序运行过程中的 JVM 和系统的一系列情况，这种方式一直以来被人所诟病，因为这需要大量的 C 程序和 JNI 调用，开发效率十分低下。于是出现了各种不同的专门做资源管理的程序包。为了解决这个问题，Sun 公司也在其 Java SE 5 版本中，正式提出了 Java 管理扩展（Java Management Extensions，JMX）用来管理检测 Java 程序（同时 JMX 也在 J2EE 1.4 中被发布）。

JMX 的提出，让 JDK 中开发自检测程序成为可能，也提供了大量轻量级的检测 JVM 和运行中对象/线程的方式，从而提高了 Java 语言自己的管理监测能力

JMX 和系统管理

管理系统（Management System）

要了解 JMX，我们就必须对当前的 IT 管理系统有一个初步的了解。随着企业 IT 规模的不断增长，IT 资源（IT resource）数量不断增加，IT 资源的分布也越来越分散。可以想象，甚至对于一家只有几百台 PC 公司的 IT 管理人员来说，分发一个安全补丁并且保证其在每台 PC 上的安装，如果只依赖人工来完成那简直就是一场噩梦。这样，IT 管理系统就应运而生。

然而，CPU、网卡、存储阵列是 IT 资源；OS、MS Office、Oracle database、IBM Websphere 也是 IT 资源。IT 管理系统若要对这些 IT 资源进行管理，就必须对这些管理对象有所了解：形形色色的 IT 资源就像是说着不同语言的人：Oralce 数据库表达内存紧张的方式和 Window XP 是绝然不同的， 而 IT 管理系统就像建造通天塔的经理，必须精通所有的语言， 这几乎是一个不可能完成的任务。难道 IT 管理系统是另外一个通天塔吗？当然不是！其实我们只要给每个 IT 资源配个翻译就可以了。

管理系统的构架

上图分析了管理系统的基本构架模式。其中 Agent / SubAgent 起到的就是翻译的作用：把 IT 资源报告的消息以管理系统能理解的方式传送出去。

也许读者有会问，为什么需要 Agent 和 SubAgent 两层体系呢？这里有两个现实的原因：

管理系统一般是一个中央控制的控制软件，而 SubAgent 直接监控一些资源，往往和这些资源分布在同一物理位置。当这些 SubAgent 把状态信息传输到管理系统或者传达管理系统的控制指令的时候，需要提供一些网络传输的功能。
管理系统的消息是有一定规范的，消息的翻译本身是件复杂而枯燥的事情。
一般来说，管理系统会将同一物理分布或者功能类似的 SubAgent 分组成一组，由一个共用的 Agent 加以管理。在这个 Agent 里封装了 1 和 2 的功能。

JMX 和管理系统

JMX 既是 Java 管理系统的一个标准，一个规范，也是一个接口，一个框架。图 2 展示了 JMX 的基本架构。

和其它的资源系统一样，JMX 是管理系统和资源之间的一个接口，它定义了管理系统和资源之间交互的标准。javax.management.MBeanServer 实现了 Agent 的功能，以标准的方式给出了管理系统访问 JMX 框架的接口。而 javax.management.MBeans 实现了 SubAgent 的功能，以标准的方式给出了 JMX 框架访问资源的接口。而从类库的层次上看，JMX 包括了核心类库 java.lang.management 和 javax.management 包。java.lang.management 包提供了基本的 VM 监控功能，而 javax.management 包则向用户提供了扩展功能。

JMX 的基本框架

JMX 使用了 Java Bean 模式来传递信息。一般说来，JMX 使用有名的 MBean，其内部包含了数据信息，这些信息可能是：应用程序配置信息、模块信息、系统信息、统计信息等。另外，MBean 也可以设立可读写的属性、直接操作某些函数甚至启动 MBean 可发送的 notification 等。MBean 包括 Standard，MXBean，Dynamic，Model，Open 等几种分类，其中最简单是标准 MBean 和 MXBean，而我们使用得最多的也是这两种。MXBean 主要是 java.lang.management 使用较多，将在下一节中介绍。我们先了解其他一些重要的 MBean 的种类。

标准 MBean

标准 MBean 是最简单的一类 MBean，与动态 Bean 不同，它并不实现 javax.management 包中的特殊的接口。说它是标准 MBean， 是因为其向外部公开其接口的方法和普通的 Java Bean 相同，是通过 lexical，或者说 coding convention 进行的。下面我们就用一个例子来展现，如何实现一个标准 MBean 来监控某个服务器 ServerImpl 状态的。ServerImpl 代表了用来演示的某个 Server 的实现

在管理过程中，管理系统并不与资源或者 SubAgent 直接打交道，也就是说，这里不会直接引用到 MBean。而是通过 MBeanServer 的 getAttribute 方法取得对应 MBean 的属性的。

动态 MBean

但是对于很多已有的 SubAgent 实现，其 Coding Convention 并不符合标准 MBean 的要求。重构所有这些 SubAgent 以符合标准 MBean 标准既费力也不实际。JMX 中给出了动态（Dynamic） MBean 的概念，MBServer 不再依据 Coding Convention 而是直接查询动态 MBean 给出的元数据（meta data）以获得 MBean 的对外接口。

它动态 MBean

另外还有两类 MBean：Open MBean 和 Model MBean。实际上它们也都是动态 MBean。

Open MBean 与其它动态 MBean 的唯一区别在于，前者对其公开接口的参数和返回值有所限制 —— 只能是基本类型或者 javax.management.openmbean 包内的 ArrayType、CompositeType、TarbularType 等类型。这主要是考虑到管理系统的分布，很可能远端管理系统甚至 MBServer 层都不具有 MBean 接口中特殊的类。

Model Bean

然而，普通的动态 Bean 通常缺乏一些管理系统所需要的支持：比如持久化 MBean 的状态、日志记录、缓存等等。如果让用户去一一实现这些功能确实是件枯燥无聊的工作。为了减轻用户的负担，JMX 提供商都会提供不同的 ModelBean 实现。其中有一个接口是 Java 规范中规定所有厂商必须实现的：javax.management.modelmbean.RequiredModelBean。通过配置 Descriptor 信息，我们可以定制这个 Model Bean， 指定哪些 MBean 状态需要记入日志、如何记录以及是否缓存某些属性、缓存多久等等。

虚拟机检测

JMX 与虚拟机检测

JMX 的提出，为 Java 虚拟机提供了 Java 层上的检测机制。J2SE 中，新提出的 java.lang.management 包即是 JMX 在 JDK 的一个应用，它提供了大量的有用的接口，通过 MBean 方式，提供了对 Java 虚拟机和运行时远端的监控和检测方式，来帮助用户来检测本地或者远端的虚拟机的运行情况。有了 JMX 之后，我们可以设计一个客户端，来检测远端一个正在运行的虚拟机中的线程数、线程当前的 Stack、内存管理、GC 所占用的时间、虚拟机中的对象和当前虚拟机参数等重要的参数和运行时信息。JMX 另外的一个重要功能是对配置信息的检测和再配置。比如，我们可以在远端查看和修改当前 JVM 的 verbose 参数，以达到动态管理的目的。甚至，我们可以在远端指挥 JVM 做一次 GC，这在下文中有详细介绍。

JMX 提供的虚拟机检测 API

检测虚拟机当前的状态总是 Java 开放人员所关心的，也正是因为如此，出现了大量的 profiler 工具来检测当前的虚拟机状态。从 Java SE 5 之后，在 JDK 中，我们有了一些 Java 的虚拟机检测 API，即 java.lang.management 包。Management 包里面包括了许多 MXBean 的接口类和 LockInfo、MemoryUsage、MonitorInfo 和 ThreadInfo 等类。从名字可以看出，该包提供了虚拟机内存分配、垃圾收集（GC）情况、操作系统层、线程调度和共享锁，甚至编译情况的检测机制。这样一来，Java 的开发人员就可以很简单地为自己做一些轻量级的系统检测，来确定当前程序的各种状态，以便随时调整。

要获得这些信息，我们首先通过 java.lang.management.ManagementFactory 这个工厂类来获得一系列的 MXBean。包括：

ClassLoadingMXBean
ClassLoadMXBean 包括一些类的装载信息，比如有多少类已经装载/卸载（unloaded），虚拟机类装载的 verbose 选项（即命令行中的 Java –verbose:class 选项）是否打开，还可以帮助用户打开/关闭该选项。

CompilationMXBean
CompilationMXBean 帮助用户了解当前的编译器和编译情况，该 mxbean 提供的信息不多。

GarbageCollectorMXBean
相对于开放人员对 GC 的关注程度来说，该 mxbean 提供的信息十分有限，仅仅提供了 GC 的次数和 GC 花费总时间的近似值。但是这个包中还提供了三个的内存管理检测类：MemoryManagerMXBean，MemoryMXBean 和 MemoryPoolMXBean。

MemoryManagerMXBean
这个类相对简单，提供了内存管理类和内存池（memory pool）的名字信息。

MemoryMXBean
这个类提供了整个虚拟机中内存的使用情况，包括 Java 堆（heap）和非 Java 堆所占用的内存，提供当前等待 finalize 的对象数量，它甚至可以做 gc（实际上是调用 System.gc）。

MemoryPoolMXBean
该信息提供了大量的信息。在 JVM 中，可能有几个内存池，因此有对应的内存池信息，因此，在工厂类中，getMemoryPoolMXBean() 得到是一个 MemoryPoolMXBean 的 list。每一个 MemoryPoolMXBean 都包含了该内存池的详细信息，如是否可用、当前已使用内存/最大使用内存值、以及设置最大内存值等等。

OperatingSystemMXBean
该类提供的是操作系统的简单信息，如构架名称、当前 CPU 数、最近系统负载等。

RuntimeMXBean
运行时信息包括当前虚拟机的名称、提供商、版本号，以及 classpath、bootclasspath 和系统参数等等。

ThreadMXBean
在 Java 这个多线程的系统中，对线程的监控是相当重要的。ThreadMXBean 就是起到这个作用。ThreadMXBean 可以提供的信息包括各个线程的各种状态，CPU 占用情况，以及整个系统中的线程状况。从 ThreadMXBean 可以得到某一个线程的 ThreadInfo 对象。这个对象中则包含了这个线程的所有信息。

java.lang.management 和虚拟机的关系

我们知道，management 和底层虚拟机的关系是非常紧密的。其实，有一些的是直接依靠虚拟机提供的公开 API 实现的，比如 JVMTI；而另外一些则不然，很大一块都是由虚拟机底层提供某些不公开的 API / Native Code 提供的。这样的设计方式，保证了 management 包可以提供足够的信息，并且使这些信息的提供又有足够的效率；也使 management 包和底层的联系非常紧密。






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Java 6 中的 API 改进

Management 在 Java SE 5 被提出之后，受到了欢迎。在 Java 6 当中，这个包提供更多的 API 来更好地提供信息。

OperatingSystemMXBean. getSystemLoadAverage()

Java 程序通常关注是虚拟机内部的负载、内存等状况，而不考虑整个系统的状况。但是很多情况下，Java 程序在运行过程中，整个计算机系统的系统负荷情况也会对虚拟机造成一定的影响。随着 Java 的发展，Java 程序已经覆盖了各个行业，这一点也必须得到关注。在以前，利用 Native 代码来检测系统负载往往是唯一的选择，但是在 Java 6 当中，JDK 自己提供了一个轻量级的系统负载检测 API，即 OperatingSystemMXBean.getSystemLoadAverage()。

当然这个 API 事实上仅仅返回一个对前一分钟系统负载的简单的估测。它设计的主要目标是简单快速地估测当前系统负荷，因此它首先保证了这个 API 的效率是非常高的；也因为如此，这个 API 事实上并不适用于所有的系统。

锁检测

我们知道，同步是 Java 语言很重要的一个特性。在 Java SE 中，最主要的同步机制是依靠 synchronize 关键字对某一个对象加锁实现的；在 Java SE 5 之后的版本中，concurrent 包的加入，大大强化了 Java 语言的同步能力，concurrent 提供了很多不同类型的锁机制可供扩展。因此，要更好地观测当前的虚拟机状况和不同线程的运行态，去观察虚拟机中的各种锁，以及线程与锁的关系是非常必要的。很可惜的是，在过去的 JDK 中，我们并没有非常方便的 API 以供使用。一个比较直接的检测方式是查看线程的 stack trace，更为强大全面（但是也更复杂并且效率低下）的方案是得到一个 VM 所有对象的快照并查找之，这些策略的代价都比较大，而且往往需要编写复杂的 Native 代码。

JDK 6 里提供了一些相当简单的 API 来提供这个服务。首先了解两个新类，LockInfo 和 MonitorInfo 这两个类承载了锁的信息。LockInfo 可以是任何的 Java 锁，包括简单 Java 锁和 java.util.concurrent 包中所使用的锁（包括 AbstractOwnableSynchronizer 和 Condition 的实现类/子类），而 MonitorInfo 是简单的 Java 对象所代表的锁。要检测一个线程所拥有的锁和等待的锁，首先，要得到一个线程的 ThreadInfo，然后可以简单地调用：

getLockedMonitors()
返回一个所有当前线程已经掌握的锁对象的列表。

getLockedSynchronizers()
对于使用 concurrent 包的线程，返回一个该线程所掌握的“ownable synchronizer”（即 AbstractOwnableSynchronizer 及其子类）所组成的列表。

getLockInfo()
当前线程正在等待的那个锁对象的信息就可以知道线程所有的锁信息。通过这些锁信息，我们很方便的可以知道当前虚拟机的所有线程的锁信息。由此，我们还可以推导出更多的信息。

死锁检测

死锁检测一直以来是软件工程师所重视的，显然一个死锁的系统永远是工程师最大的梦魇。Java 程序的死锁检测也一直以来是 Java 程序员所头痛的。为了解决线程间死锁问题，一般都有预防（代码实现阶段）和死锁后恢复（运行时）两种方式。以前 Java 程序员都重视前者，因为在运行态再来检测和恢复系统是相当麻烦的，缺少许多必要的信息；但是，对于一些比较复杂的系统，采取后者或者运行时调试死锁信息也是非常重要的。由上面所说，现在我们已经可以知道每一个线程所拥有和等待的锁，因此要计算出当前系统中是否有死锁的线程也是可行的了。当然，Java 6 里面也提供了一个 API 来完成这个功能，即：

ThreadMXBean.findDeadlockedThreads()
这个函数的功能就是检测出当前系统中已经死锁的线程。当然，这个功能复杂，因此比较费时。基本上仅仅将之用于调试，以便对复杂系统线程调用的改进。






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未来的发展

JMX 在 Java SE 5/6 中的功能已经相当强大，但是距离 Java 程序开发人员的要求还是有一段距离，因此 Sun 公司已经向 JCP 提出了 JSR 255 （JMX API 2.0 版本）来扩充和进一步发展 JMX，并希望这个 JSR 将在 Java SE 7 中实现。在这个文档中，新的 JMX 2.0 将着重于：

对 management 模型的优化，并提供更好的支持；加入了比如 annotation 等等的新特性；
对 JMX 定义的优化，在进一步强化 MBean 扩充性好的优点的同时，尽量改变（用户普遍认为的）MBean 很难实现的缺点；
对非 Java 平台客户端的支持。这将是一个令人振奋的新特性；
具体的扩展可能包括：

层次性的命名域（Hierarchical namespace）；
新的事件服务功能；
对 locales 的新支持；
为 MBean 启用 annotation 服务；
也可以使用用户类型的 mapping 了；
可以看到，JMX 的进一步发展主要关注的是可扩展性、动态性和易用性等 Java 用户非常关注的方面。






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总结

在 Java SE 5 出现的 JMX 在 Java SE 6 中有了更多的功能和扩展能力，这很好地适应了 Java 语言的发展和用户的要求，让 Java 的监测、管理的的功能更加强大。




参考资料

阅读 Java SE 6 新特性系列 文章的完整列表，了解 Java SE 6 其它重要的增强。


Java 理论与实践: 用 JMX 检测应用程序 （developerWorks，Brian Goetz，2006 年 10 月）：这篇实践性的文章介绍了如何使用 Java SE 5 中 JMX API 来检测 Web 服务器和应用程序。

从黑箱到企业 系列（developerWorks，Sing Li，2002 年）：这是一个分为三部分的系列文章，介绍 Java 管理扩展（Java Management Extension ，JMX）。

扩展 Spring 的 JMX 支持 （developerWorks，Claude Duguay，2005 年 11 月）：本文介绍了 Spring 1.2 中包括高级的 JMX 集成支持。

Java SE 6 文档：Java SE 6 的规范文档，可以找到绝大部分新特性的官方说明。

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作者简介

吕晶，目前就职于 IBM 中国开发中心 Harmony 开发团队，负责类库开发工作。 对开源软件，文史哲和新鲜事物均抱有浓厚的兴趣。您可以通过 [e-mail] 联系到他。

李夷磊，Apache Harmony Project Committer，目前就职于 IBM 中国开发中心 Harmony 开发团队，主要负责类库开发的技术工作，对 Java，OS 以及 system programming 有浓厚的兴趣。