[Java] Java诊断工具Arthas实战指南：线上问题排查与性能监控

Arthas是一款线上监控诊断产品，通过全局视角实时查看应用load、内存、gc、线程的状态信息，并能在不修改应用代码的情况下，对业务问题进行诊断，包括查看方法调用的出入参、异常，监测方法执行耗时，类加载信息等，大大提升线上问题排查效率。

当遇到以下类似问题而束手无策时，Arthas可以为你提供帮助：

1. 这个类从哪个 jar 包加载的？为什么会报各种类相关的 Exception？
2. 我改的代码为什么没有执行到？难道是我没 commit？分支搞错了？
3. 遇到问题无法在线上 debug，难道只能通过加日志再重新发布吗？
4. 线上遇到某个用户的数据处理有问题，但线上同样无法 debug，线下无法重现！
5. 是否有一个全局视角来查看系统的运行状况？
6. 有什么办法可以监控到 JVM 的实时运行状态？
7. 怎么快速定位应用的热点，生成火焰图？
8. 怎样直接从 JVM 内查找某个类的实例？

Arthas是一个Java应用，它启动后能够自动搜索本机部署的Java进程，并可以作为一个观察者持续观察我们的Java进程。Arthas作为观察者能够实时监控大整个JVM运行状态信息，小到类的运行状态，方法的运行状态信息。除此之外，Arthas能够让我们在不停机的情况下实现代码热更新，以及动态开启日志等功能，这对我们排查线上问题十分有用。

演示环境

• jdk1.8
• centos7

Arthas支持 JDK 6+（4.x 版本不再支持 JDK 6 和 JDK 7），支持 Linux/Mac/Windows.

启动测试程序

curl -O https://arthas.aliyun.com/math-game.jar
java -jar math-game.jar

math-game是Arthas官网提供的一个普通Demo，用于测试Arthas的功能。源码如下：

package demo;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class MathGame {
    private static Random random = new Random();
    private int illegalArgumentCount = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MathGame game = new MathGame();
        // 无限循环生成
        while (true) {
            game.run();
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        }
    }

    public void run() throws InterruptedException {
        try {
            // 生成随机数
            int number = random.nextInt()/10000;
            // 获取分解质因数结果
            List<Integer> primeFactors = primeFactors(number);
            // 打印分解质因数结果
            print(number, primeFactors);
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(String.format("illegalArgumentCount:%3d, ", illegalArgumentCount) + e.getMessage());
        }
    }

    //打印方法
    public static void print(int number, List<Integer> primeFactors) {
        StringBuffer sb = new StringBuffer(number + "=");
        for (int factor : primeFactors) {
            sb.append(factor).append('*');
        }
        if (sb.charAt(sb.length() - 1) == '*') {
            sb.deleteCharAt(sb.length() - 1);
        }
        System.out.println(sb);
    }

    // 根据传入参数对其分解质因数，返回分解质因数列表
    // 比如传入参数为3 返回值为【3】
    //传入参数为10 返回值为【2，5】
    // 传入参数小于2 ，抛出 IllegalArgumentException异常
    public List<Integer> primeFactors(int number) {
        if (number < 2) {
            illegalArgumentCount++;
            throw new IllegalArgumentException("number is: " + number + ", need >= 2");
        }
        List<Integer> result = new ArrayList<Integer>();
        int i = 2;
        while (i <= number) {
            if (number % i == 0) {
                result.add(i);
                number = number / i;
                i = 2;
            } else {
                i++;
            }
        }
        return result;
    }
}

这个程序逻辑很简单：main()方法为入口，一个while循环无限执行run()方法，每次执行完睡眠一秒。run()方法内部首先生成一个随机数，然后调用primeFactors()方法对随机数分解质因数，最后调用print()方法打印结果。

启动demo后，会在控制台持续打印类似如下的信息：

每一行代表一次执行结果，例如第一行提示参数非法，当前参数为-200534，需要大于2；第三行打印的是209949分解质因数的结果。

启动Arthas

curl -O https://arthas.aliyun.com/arthas-boot.jar
java -jar arthas-boot.jar

启动后，控制台会列出检测到的Java进程：

输入目标Java程序前面对应的序号（这里是1）并回车，Arthas便会附着到该进程上。成功连接后，会看到以下界面：

至此，测试环境准备就绪。

Arthas常用命令

提示：必须在Arthas成功连接目标程序后，才能执行其命令。Arthas支持Tab键命令补全。

help

帮助命令，列出所有可用命令及其简介。

-h

几乎所有Arthas命令都支持-h参数，用于查看该命令的详细用法。

也可以直接查阅Arthas官网的中文命令文档：https://arthas.aliyun.com/doc/commands.html

dashboard

仪表盘命令，用于从整体视角展示系统状态统计信息，包括线程、内存、GC和运行时数据。

常用参数：

• -i 刷新实时数据的时间间隔 (ms)，默认 5000ms
• -n 刷新实时数据的次数

例如，dashboard -i 2000 -n 2 表示每隔2秒刷新一次，只刷新两次后自动结束。

thread

查看线程相关信息。

• thread 显示第一页线程信息。
• thread --all 显示所有线程信息。
• thread id 显示指定线程ID的堆栈信息。
• thread -n 3 查看最忙的三个线程堆栈信息。
• thread -b 检测死锁（目前主要支持 synchronized 关键字导致的死锁）。

sc (Search Class)

搜索JVM已加载的类信息。

sc -d demo.MathGame  #查看MathGame类的详细信息，-d代表详细信息

sm (Search Method)

搜索JVM已加载的方法信息。

sm -d demo.MathGame  #查看MathGame类的方法详细信息

jad

反编译命令，将指定的类或方法反编译为Java代码。用于确认线上运行的代码版本。

• jad demo.MathGame 反编译MathGame类。
• jad demo.MathGame primeFactors 仅反编译primeFactors方法。
• jad demo.MathGame --source-only 仅输出源码，不包含类加载器信息。

mc (Memory Compile)

内存编译，类似于javac命令，将.java文件编译为.class文件。

mc /path/to/Some.java -d /output/dir

redefine

重新定义类，将外部的.class文件热加载到JVM中，实现代码热更新。

redefine /path/to/Some.class

注意redefine的限制：

• 不能修改、添加、删除类的字段和方法（包括方法签名）。
• 正在执行的方法不会立即生效。
• 与watch/trace/jad/tt等命令可能存在冲突。

jad | mc | redefine 实现热更新

这三个命令组合可以实现无需重启的代码热更新。

1. 反编译线上类到文件：

   jad demo.MathGame --source-only > /tmp/MathGame.java

2. 编辑/tmp/MathGame.java文件，修改代码。
3. 编译修改后的Java文件：

   mc /tmp/MathGame.java -d /tmp/

4. 重新加载编译后的Class文件到JVM：

   redefine /tmp/demo/MathGame.class

执行成功后，线上程序的逻辑会立即更新。

watch

观察方法的执行情况，查看入参、返回值、异常、对象属性等。 基本语法：watch 全限定类名 方法名 “观察表达式”

例如，观察primeFactors方法的参数、目标对象、返回值和异常：

watch demo.MathGame primeFactors '{params, target, returnObj, throwExp}'

观察表达式使用OGNL语法。添加 -x 参数可以指定对象展开层级（默认为1）：

watch demo.MathGame primeFactors '{params, target, returnObj, throwExp}' -x 2

更多用法请参考官方文档：https://arthas.aliyun.com/doc/watch.html

trace

追踪方法内部调用路径，并输出每个节点的耗时，用于性能瓶颈定位。

trace demo.MathGame run

默认不包含JDK方法，添加--skipJDKMethod false可以包含。更多用法：https://arthas.aliyun.com/doc/trace.html

tt (Time Tunnel)

时间隧道命令。记录下指定方法每次调用的现场信息（参数、返回值、异常等），并可对这些记录进行事后查看甚至重放。

• tt -t demo.MathGame run 开始记录run方法的调用。
• tt -l 列出所有记录。
• tt -i 1000 查看索引为1000的记录的详细信息。
• tt -p -i 1000 重放索引为1000的方法调用。
• tt -d -i 1000 删除指定记录。
• tt --delete-all 清除全部记录。

heapdump

生成JVM堆内存转储文件（类似jmap -dump功能）。

heapdump /tmp/dump.hprof

生成的.hprof文件可以使用MAT（Memory Analyzer Tool）等工具进行分析，排查内存泄漏等问题。注意：此操作可能对应用性能产生影响，建议在业务低峰期执行。

总结

Arthas是一个功能强大的Java诊断工具，能够帮助开发者在不重启应用的前提下，高效地排查线上问题、监控应用状态、定位性能瓶颈。本文仅介绍了部分核心命令，Arthas官方提供了多达45个命令，更多高级功能和详细用法，请参考Arthas官方文档。熟练掌握Arthas，将极大提升你的线上运维和问题排查能力。