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 商業版的附屬元件，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，同時又能提供應用執行時相對準確和豐富的資訊；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。

本篇文章中的原始碼大部分來自 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我們有著怎樣的預期

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執行時資料，從而輔助對系統（包括應用和JVM）可能存在的故障、效能瓶頸進行分析。

結合 JFR 的目標來看：

提供一些API用於產生資料或消費資料
提供快取機制和二進位制資料格式
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資訊：

事件以自描述的二進位制形式(.jfr)被儲存著
事件中包含了資料，事件 ≈ 資料
.jfr 檔案 => read by some Provided API => 重現執行時資料 [ => 視覺化]

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？如何被儲存？儲存到哪裡？

JFR是事件驅動的

本節主要是一些前置資訊（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，如類載入對應著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 收集四類事件的資訊：

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 , 按頻率取樣

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（記錄的資料，fields 取決於各個 Event 型別）：

載入的類 : 8d 11
定義類的 ClassLoader : 00
初始化類的 ClassLoader : 00

多個執行緒都會產生 Event，執行緒通過無鎖(Lock-free)設計記錄事件。執行緒將事件首先寫入到 ThreadLocalBuffer（簡稱TLB），TLB被填滿後，將被轉存到 Global buffer(circular)，對於較舊的資料，可以通過配置，選擇丟棄或者寫入磁碟，以便連續儲存歷史記錄。示意圖如下所示：

注意：TLB、Global Buffer 和磁碟檔案中的事件記錄不會相互備份，未及時轉存的資料可能發生丟失，本文不會就這點展開闡述。JFR更多資訊可以參考JEP 328。

前置內容已經交代清楚，接著回到正軌。

一個事件的生命週期

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

肉眼可見的一堆鉤子，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。線上程建立並執行時會呼叫記錄 JFR 事件，程式碼如下：

可見當一個新的Java 執行緒被建立時，只要開啟了 JFR，那麼就會執行上述程式碼；

接著看一下 on_thread_start 幹了什麼：

在此，我們看到了一個事件EventThreadStart ，並且在事件中設定資訊後被提交。

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：

這裡的 EventType 定義於 jfrEventClass.hpp, 該檔案是編譯時生成的，簡單貼一下生成邏輯，可以參考 Makefile檔案，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式，如下：

其中最為重要的成員函式是 JfrEvent::commit 方法，用於提交事件，程式碼如下：

在函式中，最後一段程式碼, 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

使用者是否可以自定義一個JFR 事件？注意點有哪些？

這裡通過JEP 328 裡的例子（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

可以得到如下日誌資訊：

   
   
   
    
    
    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，下面通過一個簡單程式碼解析上面生成的事件，程式碼如下：

編譯執行

   
   
   
    
    
    $> 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資訊，更有助於判斷系統的執行情況。

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社群查詢相關資源（點選原文進入官網），包括二進位制下載、程式碼倉庫、使用教學、安裝、學習資料等。畢昇JDK社群每雙週週二舉行技術例會，同時有一個技術交流群討論GCC、LLVM、JDK和V8等相關編譯技術，感興趣的同學可以新增如下微信小助手，回覆Compiler入群。

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