Java 中的监控与管理原理概述

2022-07-27 09:43:43

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这篇文章是 Java 性能分析监控与优化系列的第一篇文章，原本是计划系统的介绍 Java 性能分析方式和流行的监控工具，但是提笔之后意识到，只介绍分析方式和监控工具过于浅尝辄止了。如果只会使用某个工具而不知道背后的实现原理，总觉得有种陌生感，我想你们也是一样，所以多了这篇文章。

Java SE 监控管理功能

这篇文章介绍 Java Standard Edition（Java SE）平台提供的监控和管理技术 - JMX（Java Management Extensions）技术。

Java SE 平台本身就提供了用于监控和管理服务的实用性功能模块，按功能来说主要分为下面四类：

Java 监控和管理 API
Java 虚拟机检测
Java 管理扩展技术（JMX）
Java 监控和管理的工具

这篇文章会介绍这四个部分的相关知识，旨在了解 Java SE 监控与管理的相关功能，对其中的相关概念有个理解。

Java 监控和管理 API

Java SE 中包含了用于监控和管理的（java.lang.management）API，通过这些 API 可以实现应用程序的自我监控，此 API 主要提供了以下信息的访问：

类加载相关。
JVM 相关，如运行时间、系统环境变量、用户输入参数。
线程相关，如线程状态，线程的统计信息、线程的堆栈等。
内存使用情况。
GC 情况。
死锁检测。
操作系统信息。

下图是 Java 17 中的 java.management 模块。

JConsole 就是通过访问这些管理 API 提供的数据，绘制了监控的界面版。

Java 虚拟机监测

上面说到 Java SE 中已经内置了开箱即用的监控和管理功能，通过这些功能可以实现程序的自我监测，Java 默认已经实现了对 Java 虚拟机相关信息的监测，在 Java 监控和管理 API 部分也列举了 API 可以监测的部分内容，那么怎么使用呢？

下面通过一个简单的示例，演示如何通过监控管理 API 获取系统信息、编译器信息、内存信息以及垃圾收集器信息。

package com.wdbyte;

import java.lang.management.CompilationMXBean;
import java.lang.management.GarbageCollectorMXBean;
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.lang.management.MemoryMXBean;
import java.lang.management.MemoryManagerMXBean;
import java.lang.management.MemoryUsage;
import java.lang.management.OperatingSystemMXBean;
import java.util.List;
import java.util.stream.Collectors;

public class JavaManagement {

    public static void main(String[] args) {
        OperatingSystemMXBean operatingSystemMXBean = ManagementFactory.getOperatingSystemMXBean();
        String osName = operatingSystemMXBean.getName();
        String osVersion = operatingSystemMXBean.getVersion();
        int processors = operatingSystemMXBean.getAvailableProcessors();
        System.out.println(String.format("操作系统：%s，版本：%s，处理器：%d 个", osName, osVersion, processors));

        CompilationMXBean compilationMXBean = ManagementFactory.getCompilationMXBean();
        String compilationMXBeanName = compilationMXBean.getName();
        System.out.println("编译系统：" + compilationMXBeanName);

        MemoryMXBean memoryMXBean = ManagementFactory.getMemoryMXBean();
        MemoryUsage heapMemoryUsage = memoryMXBean.getHeapMemoryUsage();
        long max = heapMemoryUsage.getMax();
        long used = heapMemoryUsage.getUsed();
        System.out.println(String.format("使用内存：%dMB/%dMB", used / 1024 / 1024, max / 1024 / 1024));

        List<GarbageCollectorMXBean> gcMXBeans = ManagementFactory.getGarbageCollectorMXBeans();
        String gcNames = gcMXBeans.stream()
            .map(MemoryManagerMXBean::getName)
            .collect(Collectors.joining(","));
        System.out.println("垃圾收集器：" + gcNames);
    }
}

运行时指定了内存为 100MB（-Xms100M -Xmx100M），得到如下结果。

操作系统：Mac OS X，版本：11.6，处理器：12 个
编译系统：HotSpot 64-Bit Tiered Compilers
使用内存：2MB/100MB
垃圾收集：G1 Young Generation,G1 Old Generation

:::tip 注意

细看代码可以发现其中很多类都是以 MXBean 结尾，这是什么意思呢？

:::

Java 管理扩展技术（JMX）

在 Java 虚拟机监测中的代码示例中，可以看到很多命名以 MXBean 结尾的类，这里已经涉及到了 JMX（Java Management Extensions）技术。

JMX 技术提供了一种简单、标准的方式来管理资源，如操作系统、虚拟机信息、内存状态、线程信息等，这些统称为被管理的资源。而且 JMX 是可以动态的，所以可以使用 JMX 技术来监测和管理各种资源。可以使用 JMX 技术来监测 Java 虚拟机状态，也可以使用 JMX 技术构建自己的需要管理的资源。

JMX 技术只有资源定义那么简单吗？不是的。JMX 规范了 Java 中资源定义的方式、资源管理的方式、监控和管理的体系结构、具体实现的设计模式、监控和管理的相关 API 以及用于网络的远程监控服务（RMI），这一系列功能统称为 JMX 技术。是 Java SE 平台的标准部分。

上面多次提到了管理资源，那么如何定义一个资源呢？JMX 技术给出了资源定义的体系结构和设计模式，在 JMX 中，通过定义一个被称为 MBean 或 MXBean 的 Java 对象来表示要管理指定的资源，资源定义的 Java 类名必须以 MBean 或 MXBean 结尾。

下图是 Java 17 中的以 MXBean 结尾的资源定义类，通过命名可以看出每个类代表了什么资源。

这篇文章主要是介绍 Java SE 中的监控与管理功能，让大家对 Java 中的监控与管理背后的原理和概念有一个具体的认识，所以 MBean 和 MXBean 的具体设计实现方式不是这篇文章的重点，这里不过多介绍，会放到下一篇独立的 JMX 技术文章中介绍。

Java 监控和管理的工具

JMX 技术中提到 JMX 不仅提供了监控和管理的 API ，还提供了用于网络远程管理的服务，可以使用 JMX 相关监控管理工具，通过网络远程连接到正在运行 Java 虚拟机，监控其运行状态，Java 中集成的 jconsole 就是这样一款工具。

本地随意启动一个可以持续运行的 Java 程序用作被监测对象，如果你已经配置好 Java 环境变量，可以直接通过 jconsole 启动工具。

 $ jconsole

启动后的 jconsole 已经列出了本地正在运行的 Java 程序，选择自己想要监测的进行进行监测。

连接成功后可以看到当前 Java 进程的资源占用情况。

在 MBean 页面中，可以看到各种已经被定义的资源的具体情况。

Jconsole 是一款强大的图形界面 JMX 管理工具，不仅可以连接本地 Java 程序，还可以通过网络监控远程的 Java 程序运行状态，不过不是此篇文章重点，不在详细描述。

参考：

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