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Java线上问题排查神器Arthas快速上手与原理浅谈

前言

当你兴冲冲地开始运行自己的Java项目时，你是否遇到过如下问题：

程序在稳定运行了，可是实现的功能点了没反应。
为了修复Bug而上线的新版本，上线后发现Bug依然在，却想不通哪里有问题？
想到可能出现问题的地方，却发现那里没打日志，没法在运行中看到问题，只能加了日志输出重新打包——部署——上线
程序功能正常了，可是为啥响应时间这么慢，在哪里出现了问题？
程序不但稳定运行，而且功能完美，但跑了几天或者几周过后，发现响应速度变慢了，是不是内存泄漏了？

以前，你碰到这些问题，解决的办法大多是，修改代码，重新上线。但是在大公司里，上线的流程是非常繁琐的，如果为了多加一行日志而重新发布版本，无疑是非常折腾人的。

现在，我们有了更为优雅的线上调试方法，来自阿里巴巴开源的Arthas

下图是Arthas文档中对于为什么要使用它的描述，我进行了精简：

Java线上问题排查神器Arthas快速上手与原理浅谈

好了，前言已经超过字数了，哈哈，在本篇文章里，你能够了解：

Arthas使用实例：帮助你快速让你上手，拯救你的低效率Debug
使用Arthas解决具体问题：看一下Arthas帮我拯救了多少时间
相似工具：看看线上Debug还有没有别的工具可以使用
原理浅谈：莫在浮沙筑高阁！你需要大概了解下Arthas的原理

相信我，Arhas觉得是你提升效率的利器，适合各种阶段的开发者，尤其适合我这种刚入门的新人（天天上班写Bug的人）。你不应该有这种东西是高阶程序员才应该去使用的思想，放心大胆的去用吧

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线上Debug神器Arthas

Arthas使用实例

命令的详细文档请参考：

https://alibaba.github.io/arthas/commands.html

快速启动

快速启动它，你只需要两行命令：

wget https://alibaba.github.io/arthas/arthas-boot.jar
java -jar arthas-boot.jar

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随后，在界面出现的进程中，选择你的程序序号，比如1

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这样你就进入了arthas的控制台

基本使用

Arthas有如下功能：

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1. 首先是我认为的“上帝视角”指令：Dashboard

当前系统的实时数据面板，按 ctrl+c 退出。

当运行在Ali-tomcat时，会显示当前tomcat的实时信息，如HTTP请求的qps, rt, 错误数, 线程池信息等等。

通过这些，你可以对于整个程序进程有个直观的数据监控。

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2. 类加载问题相关指令

Java线上问题排查神器Arthas快速上手与原理浅谈

SC：查看JVM已加载的类信息

通过SC我们可以看到我们这个类的详细信息，包括是从哪个jar包读取的，他是不是接口/枚举类等，甚至包括他是从哪个类加载器加载的。

Java线上问题排查神器Arthas快速上手与原理浅谈

上图中代码：

[arthas@37]$ sc -d *MathGame
 class-info        demo.MathGame
 code-source       /home/scrapbook/tutorial/arthas-demo.jar
 name              demo.MathGame
 isInterface       false
 isAnnotation      false
 isEnum            false
 isAnonymousClass  false
 isArray           false
 isLocalClass      false
 isMemberClass     false
 isPrimitive       false
 isSynthetic       false
 simple-name       MathGame
 modifier          public
 annotation
 interfaces
 super-class       +-java.lang.Object
 class-loader      +-sun.misc.Launcher$AppClassLoader@70dea4e
                     +-sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@69260973
 classLoaderHash   70dea4e

SC也可以查看已加载的类，帮助你看是否有没有纳入进来的类，尤其是在Spring中，可以判断的你的依赖有没有正确的进来。

Java线上问题排查神器Arthas快速上手与原理浅谈

上图中代码：

# 查看JVM已加载的类信息
[arthas@37]$ sc javax.servlet.Filter
com.example.demo.arthas.AdminFilterConfig$AdminFilter
javax.servlet.Filter
org.apache.tomcat.websocket.server.WsFilter
org.springframework.boot.web.filter.OrderedCharacterEncodingFilter
org.springframework.boot.web.filter.OrderedHiddenHttpMethodFilter
org.springframework.boot.web.filter.OrderedHttpPutFormContentFilter
org.springframework.boot.web.filter.OrderedRequestContextFilter
org.springframework.web.filter.CharacterEncodingFilter
org.springframework.web.filter.GenericFilterBean
org.springframework.web.filter.HiddenHttpMethodFilter
org.springframework.web.filter.HttpPutFormContentFilter
org.springframework.web.filter.OncePerRequestFilter
org.springframework.web.filter.RequestContextFilter
org.springframework.web.servlet.resource.ResourceUrlEncodingFilter
Affect(row-cnt:14) cost in 11 ms.
 
# 查看已加载类的方法信息
[arthas@37]$ sm java.math.RoundingMode
java.math.RoundingMode <init>(Ljava/lang/String;II)V
java.math.RoundingMode values()[Ljava/math/RoundingMode;
java.math.RoundingMode valueOf(I)Ljava/math/RoundingMode;
java.math.RoundingMode valueOf(Ljava/lang/String;)Ljava/math/RoundingMode;
Affect(row-cnt:4) cost in 6 ms.

jad：反编译某个类，或者反编译某个类的某个方法

Java线上问题排查神器Arthas快速上手与原理浅谈

上图中代码：

# 反编译只显示源码
jad --source-only com.Arthas
# 反编译某个类的某个方法
jad --source-only com.Arthas mysql


[arthas@37]$ jad demo.MathGame

ClassLoader:
+-sun.misc.Launcher$AppClassLoader@70dea4e
  +-sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@69260973

Location:
/home/scrapbook/tutorial/arthas-demo.jar

/*
 * Decompiled with CFR.
 */
package demo;

import java.io.PrintStream;
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();
    public int illegalArgumentCount = 0;

    public List<Integer> primeFactors(int number) {
        if (number < 2) {
            ++this.illegalArgumentCount;
            throw new IllegalArgumentException("number is: " + number + ", need >= 2");
        }
        ArrayList<Integer> result = new ArrayList<Integer>();
        int i = 2;
        while (i <= number) {
            if (number % i == 0) {
                result.add(i);
                number /= i;
                i = 2;
                continue;
            }
            ++i;
        }
        return result;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MathGame game = new MathGame();
        do {
            game.run();
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1L);
        } while (true);
    }

    public void run() throws InterruptedException {
        try {
            int number = random.nextInt() / 10000;
            List<Integer> primeFactors = this.primeFactors(number);
            MathGame.print(number, primeFactors);
        }
        catch (Exception e) {
            System.out.println(String.format("illegalArgumentCount:%3d, ", this.illegalArgumentCount) + e.getMessage());
        }
    }

    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);
    }
}

Affect(row-cnt:1) cost in 760 ms.

3. 方法运行相关指令

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watch：方法执行的数据观测

你可以通过watch指令，来监控某个类，监控后，运行下你的功能，复现下场景，arthas会提供给你具体的出参和入参，帮助你排查故障

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trace：输出方法调用路径，并输出耗时

这个指令对于优化代码非常的有用，可以看出具体每个方法执行的时间，如果是for循环等重复语句，还能看出n次循环中的最大耗时，最小耗时，和平均耗时，完美！

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tt：官方名为时空隧道

这是我调试用的最多的指令，在你对某方法开启tt后，会记录下每一次的调用（你需要设置最大监控次数），然后你可以在任何时候会看这里面的调用，包括出参，入参，运行耗时，是否异常等。非常强大。

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4. 线程调试相关指令

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thread相关命令：

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thread -n：排列出 CPU 使用率 Top N 的线程。

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thread -b：排查阻塞的线程

我们代码有时候设计的不好，会引发死锁的问题，卡住整个线程执行，使用这个指令可以轻松的找到问题线程，以及问题的执行语句。

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强大的ognl表达式

众所周知，一般来说，表达式都是调试工具里最强的指令，哈哈。

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在Arthas中你可以利用ognl表达式语言做很多事，比如执行某个方法，获取某个信息，甚至进行修改。

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[arthas@19856]$ ognl '@com.Arthas@hashSet'
@HashSet[
    @String[count1],
    @String[count2],
    @String[count29],
    @String[count28],
    @String[count0],
    @String[count27],
    @String[count5],
    @String[count26],
    @String[count6],
    @String[count25],
    @String[count3],
    @String[count24],
    
[arthas@19856]$ ognl  '@com.Arthas@hashSet.add("test")'
@Boolean[true]
[arthas@19856]$
# 查看添加的字符
[arthas@19856]$ ognl  '@com.Arthas@hashSet' | grep test
    @String[test],
[arthas@19856]$

甚至你可以动态更换日志输出级别

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$ ognl '@com.lz.test@LOGGER.logger.privateConfig'
@PrivateConfig[
    loggerConfig=@LoggerConfig[root],
    loggerConfigLevel=@Level[INFO],
    intLevel=@Integer[400],
]
$ ognl '@com.lz.test@LOGGER.logger.setLevel(@org.apache.logging.log4j.Level@ERROR)'
null
$ ognl '@com.lz.test@LOGGER.logger.privateConfig'
@PrivateConfig[
    loggerConfig=@LoggerConfig[root],
    loggerConfigLevel=@Level[ERROR],
    intLevel=@Integer[200],
  
]

使用Arthas解决具体问题

1. 响应时间异常问题

工作中遇到一个优化问题，系统中一个导出表格的功能，响应时间长达2分钟，虽然给内部使用，但也不能这么夸张，用trace跟踪下方法，发现是其中的手机号加解密函数占用了非常大的时间，几千个手机号，进行了解密后加密的精彩操作，最终导致了两分钟的返回时间。

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2. 某功能Bug导致服务器返回500

首先通过trace看异常报错的方法，之后通过tt排查方法，发现入参进来后，居然走错了方法（因为多态），走到了返回null的方法中，所以导致了NPE空指针错误。

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补充

Arthas还支持Web Console，详见：

https://alibaba.github.io/arthas/web-console.html

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相似工具

BTrace一是个历史比较久的工具，观察下来Arthas其实和他的理念蛮相似的，相信Arthas也参考过Btrace，作为一个学习样例来开发Arthas。详细的优劣势看图：

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其他的相似工具，还有jvm-sandbox，有兴趣的朋友可以去看看。

原理浅谈

分为三个部分:

启动
arthas服务端代码分析
arthas客户端代码分析

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启动

使用了阿里开源的组件cli,对参数进行了解析

com.taobao.arthas.boot.Bootstrap

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在传入参数中没有pid,则会调用本地jps命令,列出java进程

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进入主逻辑,会在用户目录下建立.arthas目录,同时下载arthas-core和arthas-agent等lib文件,最后启动客户端和服务端

通过反射的方式来启动字符客户端

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服务端——前置准备

看服务端启动命令可以知道从 arthas-core.jar开始启动，arthas-core的pom.xml文件里面指定了mainClass为com.taobao.arthas.core.Arthas，使得程序启动的时候从该类的main方法开始运行。

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首先解析入参，生成com.taobao.arthas.core.config.Configure类，包含了相关配置信息
使用jdk-tools里面的VirtualMachine.loadAgent，其中第一个参数为agent路径，第二个参数向jar包中的agentmain()方法传递参数（此处为agent-core.jar包路径和config序列化之后的字符串），加载arthas-agent.jar包
运行arthas-agent.jar包，指定了Agent-Class为com.taobao.arthas.agent.AgentBootstrap

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上图中代码：

public class Arthas {

    private Arthas(String[] args) throws Exception {
        attachAgent(parse(args));
    }

    private Configure parse(String[] args) {
        // 省略非关键代码，解析启动参数作为配置，并填充到configure对象里面
        return configure;
    }

    private void attachAgent(Configure configure) throws Exception {
           // 省略非关键代码，attach到目标进程
          virtualMachine = VirtualMachine.attach("" + configure.getJavaPid());
          virtualMachine.loadAgent(configure.getArthasAgent(),
                            configure.getArthasCore() + ";" + configure.toString());
    }


    public static void main(String[] args) {
            new Arthas(args);
    }
}

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服务端——监听客户端请求

如果是exit,logout,quit,jobs,fg,bg,kill等直接执行。
如果是其他的命令，则创建Job，并运行。
创建Job时，会根据具体客户端传递的命令，找到对应的Command，并包装成Process, Process再被包装成Job。
运行Job时，反向先调用Process，再找到对应的Command，最终调用Command的process处理请求。

服务端——Command处理流程

不需要使用字节码增强的命令

其中JVM相关的使用 java.lang.management 提供的管理接口，来查看具体的运行时数据。比较简单，就不介绍了。

需要使用字节码增强的命令

字节码增加的命令统一继承EnhancerCommand类，process方法里面调用enhance方法进行增强。调用Enhancer类enhance方法，该方法内部调用inst.addTransformer方法添加自定义的ClassFileTransformer，这边是Enhancer类。

Enhancer类使用AdviceWeaver(继承ClassVisitor)，用来修改类的字节码。重写了visitMethod方法，在该方法里面修改类指定的方法。visitMethod方法里面使用了AdviceAdapter（继承了MethodVisitor类），在onMethodEnter方法, onMethodExit方法中，把Spy类对应的方法（ON_BEFORE_METHOD， ON_RETURN_METHOD， ON_THROWS_METHOD等）编织到目标类的方法对应的位置。

在前面Spy初始化的时候可以看到，这几个方法其实指向的是AdviceWeaver类的methodOnBegin， methodOnReturnEnd等。在这些方法里面都会根据adviceId查找对应的AdviceListener，并调用AdviceListener的对应的方法，比如before,afterReturning, afterThrowing。

客户端

客户端代码在arthas-client模块里面，入口类是com.taobao.arthas.client.TelnetConsole。

主要使用apache commons-net jar进行telnet连接，关键的代码有下面几步：

构造TelnetClient对象，并初始化
构造ConsoleReader对象，并初始化
调用IOUtil.readWrite(telnet.getInputStream(), telnet.getOutputStream(), System.in, consoleReader.getOutput())处理各个流，一共有四个流：
- telnet.getInputStream()
- telnet.getOutputStream()
- System.in
- consoleReader.getOutput()

请求时：从本地System.in读取，发送到 telnet.getOutputStream()，即发送给远程服务端。
响应时：从telnet.getInputStream()读取远程服务端发送过来的响应，并传递给 consoleReader.getOutput()，即在本地控制台输出。

关于源码，深入下去还有很多东西需要生啃，我也没有消化得很好，大家可以继续阅读详细资料。

总结

Arthas是一个线上Debug神器，小白也可以轻松上手。

码字不易，希望大家捧个人场，谢谢诸位。

参考文献

开源地址：

https://github.com/alibaba/arthas

官方文档：

https://alibaba.github.io/arthas

其他参考：

Hollis：Arthas – Java 线上问题定位处理的终极利器
https://www.cnblogs.com/LittleHann/p/4783581.html
https://juejin.im/post/5c466d7bf265da61511509ab#heading-29
http://tech.dianwoda.com/2018/12/20/arthasyuan-ma-fen-xi/
https://www.jianshu.com/p/0771646f3f25
https://github.com/alibaba/arthas/blob/master/README_CN.md
https://blog.csdn.net/qq_27376871/article/details/51613066
https://github.com/alibaba/arthas/issues/222

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