Java Flight Recorder - 事件機制詳解

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時間 2023-01-09 18:01:52 openEuler

主題: jdk

編者按： Java Flight Recorder（簡稱為JFR）曾經是 Oracle JDK 商業版的附屬組件，在 JDK 11 中正式開源，後又被移植到 JDK8 中。JFR對應用的侵入性很小，同時又能提供應用運行時相對準確和豐富的信息；合理使用該工具可以極大地提高工作效率。本文剖析JFR的事件機制，希望能幫助大家從原理上理解 JFR ，進而能正確使用 JFR。

本篇文章中的源碼大部分來自 openjdk8u262；
本文出發點是梳理 JFR 的事件機制，側重點在於理解而非應用

對於JFR我們有着怎樣的預期

JFR是一個輔助分析工具，我們希望藉助它，儘可能低開銷地收集運行時數據，從而輔助對系統（包括應用和JVM）可能存在的故障、性能瓶頸進行分析。

結合 JFR 的目標來看：

提供一些API用於產生數據或消費數據
提供緩存機制和二進制數據格式
允許配置和過濾事件
為 OS、JVM、JDK 庫提供相應的事件

從中，我們能粗略地獲取這些信息：

事件以自描述的二進制形式(.jfr)被保存着
事件中包含了數據，事件 ≈ 數據
.jfr 文件 => read by some Provided API => 重現運行時數據 [ => 可視化]

我們想嘗試瞭解 JFR的事件驅動機制，具體點就是回答幾個問題：

一個事件何時產生/啟動監控？經歷了怎樣的路徑？如何被保存？保存到哪裏？

JFR是事件驅動的

本節主要是一些前置信息（假如你有所瞭解，可以快速瀏覽或者跳過本節內容）：JVM行為基本都是Event，如類加載對應着Class Load Event，垃圾回收對應GC Event；Event 主要由timestamp, event name, additional info, data 這幾部分組成。Event 收集四類事件的信息：

Instant Event , 發生就收集（e.g. Thread Start ...）
Duration Event, 持續收集一段時間（e.g. GC Event ...）
Timed Event , 收集超過指定時間的事件
Sample Event , 按頻率採樣

以JFR的 Class Load Event 為例, 看看一個事件的結構。（共計24 bytes）

: 98 80 80 00 87 02 95 ae e4 b2 92 03 a2 f7 ae 9a 94 02 02 01 8d 11 00 00

Event Size : 98 80 80 00
Event ID : 87 02
TimeStamp : 95 ae e4 b2 92 03
Duration : a2 f7 ae 9a 94 02
Thread ID : 02
Stack trace ID : 01
PayLoad（記錄的數據，fields 取決於各個 Event 類型）：

加載的類 : 8d 11
定義類的 ClassLoader : 00
初始化類的 ClassLoader : 00

多個線程都會產生 Event，線程通過無鎖(Lock-free)設計記錄事件。線程將事件首先寫入到 ThreadLocalBuffer（簡稱TLB），TLB被填滿後，將被轉存到 Global buffer(circular)，對於較舊的數據，可以通過配置，選擇丟棄或者寫入磁盤，以便連續保存歷史記錄。示意圖如下所示：

注意：TLB、Global Buffer 和磁盤文件中的事件記錄不會相互備份，未及時轉存的數據可能發生丟失，本文不會就這點展開闡述。JFR更多信息可以參考JEP 328。

前置內容已經交代清楚，接着回到正軌。

一個事件的生命週期

以下是枯燥乏味的一堆代碼，但是不得不看。首先來看 JFR 的結構，如下圖所示：

肉眼可見的一堆鈎子，這些hook 用於記錄對應的觸發事件。
我們簡單地挑一個 Thread Start 的事件，關注一下它的整個被觸發到被記錄的過程。在線程創建並執行時會調用記錄 JFR 事件，代碼如下：

可見當一個新的Java 線程被創建時，只要開啟了 JFR，那麼就會執行上述代碼；

接着看一下 on_thread_start 幹了什麼：

在此，我們看到了一個事件EventThreadStart ，並且在事件中設置信息後被提交。

在 JEP 328 中有一個更為簡單直接例子，如下：

無需太過關心其內容。我們只需關注這個事件生成的結構：

這裏的 EventType 定義於 jfrEventClass.hpp, 該文件是編譯時生成的，簡單貼一下生成邏輯，可以參考 Makefile文件，如下（同樣無需在意太多細節）：

回到主旋律，繼續來看事件的結構和成員函數，如下：

其中最為重要的成員函數是 JfrEvent::commit 方法，用於提交事件，代碼如下：

在函數中，最後一段代碼, 也是核心所在，用於真正記錄事件：

這下，就可以很容易地和第1節的內容對應上了，特別是其中的事件模型的圖片：

小結

用户是否可以自定義一個JFR 事件？注意點有哪些？

這裏通過JEP 328 裏的例子（稍微有點改動），來展示如何自定義JFR 事件。

通過編譯後直接執行如下命令：

$> java -XX:StartFlightRecording,filename=event.jfr Test

可以得到如下日誌信息：

   
   
   
    
    
    Started recording 1. No limit specified, using maxsize=250MB as default.
    
    
    Use jcmd 57980 JFR.dump name=1 to copy recording data to file.

日誌可以通過標準的API 進行解析，下面通過一個簡單代碼解析上面生成的事件，代碼如下：

編譯運行

   
   
   
    
    
    $> java Viewer | less

可以得到如下結果。

相信此時你已經對 JFR 的事件機制有了個不錯的感覺。

實際上JFR 的使用一般配合 JMC[1] 使用，在 JMC 中通過頁面可以得到統計信息，更有助於判斷系統的運行情況。

參考

[1] https://adoptopenjdk.net/jmc.html

後記

如果遇到相關技術問題（包括不限於畢昇JDK），可以進入畢昇JDK社區查找相關資源（點擊原文進入官網），包括二進制下載、代碼倉庫、使用教學、安裝、學習資料等。畢昇JDK社區每雙週週二舉行技術例會，同時有一個技術交流羣討論GCC、LLVM、JDK和V8等相關編譯技術，感興趣的同學可以添加如下微信小助手，回覆Compiler入羣。

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