Java 中的監控與管理原理概述

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這篇文章是 Java 性能分析監控與優化系列的第一篇文章，原本是計划系統的介紹 Java 性能分析方式和流行的監控工具，但是提筆之后意識到，只介紹分析方式和監控工具過於淺嘗輒止了。如果只會使用某個工具而不知道背后的實現原理，總覺得有種陌生感，我想你們也是一樣，所以多了這篇文章。

Java SE 監控管理功能

這篇文章介紹 Java Standard Edition（Java SE）平台提供的監控和管理技術 - JMX（Java Management Extensions） 技術。

Java SE 平台本身就提供了用於監控和管理服務的實用性功能模塊，按功能來說主要分為下面四類：

• Java 監控和管理 API
• Java 虛擬機檢測
• Java 管理擴展技術（JMX）
• Java 監控和管理的工具

這篇文章會介紹這四個部分的相關知識，旨在了解 Java SE 監控與管理的相關功能，對其中的相關概念有個理解。

Java 監控和管理 API

Java SE 中包含了用於監控和管理的（java.lang.management）API，通過這些 API 可以實現應用程序的自我監控，此 API 主要提供了以下信息的訪問：

• 類加載相關。
• JVM 相關，如運行時間、系統環境變量、用戶輸入參數。
• 線程相關，如線程狀態，線程的統計信息、線程的堆棧等。
• 內存使用情況。
• GC 情況。
• 死鎖檢測。
• 操作系統信息。

下圖是 Java 17 中的 java.management 模塊。

JConsole 就是通過訪問這些管理 API 提供的數據，繪制了監控的界面版。

Java 虛擬機監測

上面說到 Java SE 中已經內置了開箱即用的監控和管理功能，通過這些功能可以實現程序的自我監測，Java 默認已經實現了對 Java 虛擬機相關信息的監測，在 Java 監控和管理 API 部分也列舉了 API 可以監測的部分內容，那么怎么使用呢？

下面通過一個簡單的示例，演示如何通過監控管理 API 獲取系統信息、編譯器信息、內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("操作系統：%s，版本：%s，處理器：%d 個", osName, osVersion, processors));

        CompilationMXBean compilationMXBean = ManagementFactory.getCompilationMXBean();
        String compilationMXBeanName = compilationMXBean.getName();
        System.out.println("編譯系統：" + compilationMXBeanName);

        MemoryMXBean memoryMXBean = ManagementFactory.getMemoryMXBean();
        MemoryUsage heapMemoryUsage = memoryMXBean.getHeapMemoryUsage();
        long max = heapMemoryUsage.getMax();
        long used = heapMemoryUsage.getUsed();
        System.out.println(String.format("使用內存：%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);
    }
}

運行時指定了內存為 100MB（-Xms100M -Xmx100M），得到如下結果。

操作系統：Mac OS X，版本：11.6，處理器：12 個
編譯系統：HotSpot 64-Bit Tiered Compilers
使用內存：2MB/100MB
垃圾收集：G1 Young Generation,G1 Old Generation

:::tip 注意

細看代碼可以發現其中很多類都是以 MXBean 結尾，這是什么意思呢？

:::

Java 管理擴展技術（JMX）

在 Java 虛擬機監測中的代碼示例中，可以看到很多命名以 MXBean 結尾的類，這里已經涉及到了 JMX（Java Management Extensions） 技術。

JMX 技術提供了一種簡單、標准的方式來管理資源，如操作系統、虛擬機信息、內存狀態、線程信息等，這些統稱為被管理的資源。而且 JMX 是可以動態的，所以可以使用 JMX 技術來監測和管理各種資源。可以使用 JMX 技術來監測 Java 虛擬機狀態，也可以使用 JMX 技術構建自己的需要管理的資源。

JMX 技術只有資源定義那么簡單嗎？不是的。JMX 規范了 Java 中資源定義的方式、資源管理的方式、監控和管理的體系結構、具體實現的設計模式、監控和管理的相關 API 以及用於網絡的遠程監控服務（RMI），這一系列功能統稱為 JMX 技術。是 Java SE 平台的標准部分。

上面多次提到了管理資源，那么如何定義一個資源呢？JMX 技術給出了資源定義的體系結構和設計模式，在 JMX 中，通過定義一個被稱為 MBean 或 MXBean 的 Java 對象來表示要管理指定的資源，資源定義的 Java 類名必須以 MBean 或 MXBean 結尾。

下圖是 Java 17 中的以 MXBean 結尾的資源定義類，通過命名可以看出每個類代表了什么資源。

這篇文章主要是介紹 Java SE 中的監控與管理功能，讓大家對 Java 中的監控與管理背后的原理和概念有一個具體的認識，所以 MBean 和 MXBean 的具體設計實現方式不是這篇文章的重點，這里不過多介紹，會放到下一篇獨立的 JMX 技術文章中介紹。

Java 監控和管理的工具

JMX 技術中提到 JMX 不僅提供了監控和管理的 API ，還提供了用於網絡遠程管理的服務，可以使用 JMX 相關監控管理工具，通過網絡遠程連接到正在運行 Java 虛擬機，監控其運行狀態，Java 中集成的 jconsole 就是這樣一款工具。

本地隨意啟動一個可以持續運行的 Java 程序用作被監測對象，如果你已經配置好 Java 環境變量，可以直接通過 jconsole 啟動工具。

 $ jconsole

啟動后的 jconsole 已經列出了本地正在運行的 Java 程序，選擇自己想要監測的進行進行監測。

連接成功后可以看到當前 Java 進程的資源占用情況。

在 MBean 頁面中，可以看到各種已經被定義的資源的具體情況。

Jconsole 是一款強大的圖形界面 JMX 管理工具，不僅可以連接本地 Java 程序，還可以通過網絡監控遠程的 Java 程序運行狀態，不過不是此篇文章重點，不在詳細描述。

參考：

• https://docs.oracle.com/en/java/javase/17/jmx/
• https://docs.oracle.com/en/java/javase/17/management/

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