JVM 相关

Stella981
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什么是 WhiteBox API

WhiteBox API 是 HotSpot VM 自带的白盒测试工具,将内部的很多核心机制的 API 暴露出来,用于白盒测试 JVM,压测 JVM 特性,以及辅助学习理解 JVM 并调优参数。WhiteBox API 是 Java 7 引入的,目前 Java 8 LTS 以及 Java 11 LTS(其实是 Java 9+ 以后的所有版本,这里只关心 LTS 版本,Java 9 引入了模块化所以 WhiteBox API 有所变化)都是有的。但是默认这个 API 并没有编译在 JDK 之中,但是他的实现是编译在了 JDK 里面了。所以如果想用这个 API,需要用户自己编译需要的 API,并加入 Java 的 BootClassPath 并启用 WhiteBox API。

WhiteBox API 如何实现的

WhiteBox API 是一个 Java 类,位于 JDK 的测试包中,默认没有编译进标准发行版的 JDK 中

test/lib/sun/hotspot/WhiteBox.java

package sun.hotspot;
public class WhiteBox {
  //仅举两个例子,省略其他 api 以及代码
  // Force Young GC
  public native void youngGC();
  // Force Full GC
  public native void fullGC();
}

可以看出,其实里面的所有 API 都是 JNI 调用,具体实现是:

src/hotspot/share/prims/whitebox.cpp

WB_ENTRY(void, WB_FullGC(JNIEnv* env, jobject o))
  Universe::heap()->soft_ref_policy()->set_should_clear_all_soft_refs(true);
  Universe::heap()->collect(GCCause::_wb_full_gc);
#if INCLUDE_G1GC
  if (UseG1GC) {
    // Needs to be cleared explicitly for G1
    Universe::heap()->soft_ref_policy()->set_should_clear_all_soft_refs(false);
  }
#endif // INCLUDE_G1GC
WB_END

WB_ENTRY(void, WB_YoungGC(JNIEnv* env, jobject o))
  Universe::heap()->collect(GCCause::_wb_young_gc);
WB_END

{CC"youngGC",  CC"()V",                             (void*)&WB_YoungGC },
{CC"fullGC",   CC"()V",                             (void*)&WB_FullGC },

//省略其他代码

可以看出,JNI 调用实现直接调用了底层 JVM 的相关接口,相当于把 JVM 的一些关键机制暴露出来,用于白盒测试。但是如之前所说,JDK 发行版没有包括 test 下的测试代码,也就是 WhiteBox API 所在的 jar 包并没有打进默认的 JDK 中。这就需要我们自己编译一下这个代码。

什么是 BootClassPath

Java 内有三种不同的类加载器:应用类加载器(application classloader),扩展类加载器(extension classloader)还有根类加载器(bootstrap classloader)

  • 应用类加载器,加载我们classpath目录下的所有类文件
  • 扩展类加载器,加载标准 Java 类库扩展的类,就是你的jre目录下的/lib/ext目录下的所有类
  • 根类加载器(bootstrap classloader),扫描 BootClassPath 下的 标准 Java 类库的类加载器。标准 Java 类库限制了一些包路径的类,必须通过根类加载器加载。

对于 WhiteBox API,由于是他的包为sun.hotspot,普通的类加载器是不能加载这个包路径的类的,需要通过根类加载器加载。

怎么指定 BootClassPath

在 Java 8,通过 -Xbootclasspath: 或者 -Xbootclasspath/p:指定,例如:

-Xbootclasspath:/home/project/whitebox.jar
-Xbootclasspath/p:/home/project/whitebox.jar

在 Java 9 之后的版本,这两个参数已经过期了,需要改成-Xbootclasspath/a:,例如:

-Xbootclasspath/a:/home/project/whitebox.jar

否则会报错-Xbootclasspath is no longer a supported option.

这里对应的 JDK 源码是: src/hotspot/share/runtime/arguments.cpp

// -bootclasspath:
} else if (match_option(option, "-Xbootclasspath:", &tail)) {
    jio_fprintf(defaultStream::output_stream(),
      "-Xbootclasspath is no longer a supported option.\n");
    return JNI_EINVAL;
// -bootclasspath/a:
} else if (match_option(option, "-Xbootclasspath/a:", &tail)) {
  //将参数添加到 bootclasspath 中
  Arguments::append_sysclasspath(tail);
// -bootclasspath/p:
} else if (match_option(option, "-Xbootclasspath/p:", &tail)) {
    jio_fprintf(defaultStream::output_stream(),
      "-Xbootclasspath/p is no longer a supported option.\n");
    return JNI_EINVAL;
}

使用 WhiteBox API

1. 编译 WhiteBox API

https://github.com/openjdk/jdk/tree/master/test/lib路径下的sun目录取出,编译成一个 jar 包,名字假设是 whitebox.jar

2. 编写测试程序

whitebox.jar 添加到你的项目依赖,之后写代码

public static void main(String[] args) throws Exception {
        WhiteBox whiteBox = WhiteBox.getWhiteBox();
        //获取 ReservedCodeCacheSize 这个 JVM flag 的值
        Long reservedCodeCacheSize = whiteBox.getUintxVMFlag("ReservedCodeCacheSize");
        System.out.println(reservedCodeCacheSize);
        //打印堆内存各项指标
        whiteBox.printHeapSizes();
        //执行full GC
        whiteBox.fullGC();
        
        //保持进程不退出,保证日志打印完整
        Thread.currentThread().join();
}

3. 启动程序查看效果

使用启动参数 -Xbootclasspath/a:/home/project/whitebox.jar -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+WhiteBoxAPI -Xlog:gc 启动程序。其中前三个 Flag 表示启用 WhiteBox API,最后一个表示打印 GC info 级别的日志到控制台。

我的输出:

[0.025s][info][gc] Using G1
251658240
Minimum heap 8388608 Initial heap 268435456 Maximum heap 4276092928 Space alignment 2097152 Heap alignment 2097152
[0.899s][info][gc] GC(0) Pause Full (WhiteBox Initiated Full GC) 5M->0M(20M) 45.183ms

WhiteBox API 的使用场景

  1. JDK 框架源码在测试的时候,需要用 WhiteBox API 进行测试
  2. 压测 JVM 的时候,需要模拟一些场景,需要用 WhiteBox API 执行一些底层操作,例如强制 full GC。比较有名的就是 jcstress 对 JVM 进行压测就用到了 WhiteBox API
  3. 一些性能极限场景,需要用到 WhiteAPI 进行模拟,压测
  4. 学习 JVM 原理的时候会用到。

最后,在我的系列专栏通过 JFR 与日志深入探索 JVM中,也会经常用到 WhiteBox API 模拟各种 JFR 事件,帮助大家更好的理解 JVM 底层原理和性能瓶颈定位,JVM 调优等等,欢迎大家订阅关注~

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