Java堆棧信息分析

一、什麼是堆棧信息

在Java程序中，為了存儲數據而分配的內存分為兩類：堆（Heap）和棧（Stack）。

堆是Java運行時內存中的一塊區域，用於存儲對象及其實例變量。而棧也是內存中的一塊區域，用於存儲方法執行時的局部變量和操作數。在Java程序中，當一個方法被調用時，Java虛擬機會在棧中為該方法創建一個新的棧幀，然後將其放在棧的頂部。當方法執行完畢時，棧幀就會被彈出，方法的返回值也會被壓入棧中。

堆棧信息指的是程序在運行時，產生的一些狀態信息，包括棧幀的大小、離線時間、運行時間。通過對這些信息的分析，可以排查代碼的執行過程中出現的問題。

二、如何獲取堆棧信息

Java虛擬機提供了一些工具和API，用於獲取堆棧信息，比如jstack、jconsole、jvisualvm等。

jstack用於打印出指定Java進程中每個線程的堆棧信息。打印出來的信息包含線程狀態、鎖信息、分配的對象、堆棧跟蹤信息等。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        while (true) {
            System.out.println("Hello, World!");
        }
    }
}

使用jstack命令可以獲取到以下堆棧信息：

"main" #1 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000002c8f800 nid=0x3880 runnable [0x00000000027ff000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
    at java.io.PrintStream.write(PrintStream.java:480)
    - locked  (a java.io.PrintStream)
    at sun.nio.cs.StreamEncoder.writeBytes(StreamEncoder.java:221)
    at sun.nio.cs.StreamEncoder.implFlushBuffer(StreamEncoder.java:291)
    at sun.nio.cs.StreamEncoder.implFlush(StreamEncoder.java:295)
    at sun.nio.cs.StreamEncoder.flush(StreamEncoder.java:141)
    - locked  (a java.io.OutputStreamWriter)
    at java.io.OutputStreamWriter.flush(OutputStreamWriter.java:229)
    at java.util.logging.StreamHandler.flush(StreamHandler.java:242)
    - locked  (a java.util.logging.ConsoleHandler)
    at java.util.logging.ConsoleHandler.publish(ConsoleHandler.java:106)
    at java.util.logging.Logger.log(Logger.java:738)
    at java.util.logging.Logger.doLog(Logger.java:765)
    at java.util.logging.Logger.log(Logger.java:788)
    at java.util.logging.Logger.info(Logger.java:1495)
    at com.intellij.rt.execution.application.AppMain.main(AppMain.java:147)

三、堆棧信息分析的常用場景

1.線程死鎖

線程死鎖指的是兩個或多個線程互相持有對方所需要的鎖，從而導致所有線程都阻塞無法繼續執行。通過分析堆棧信息，可以定位哪些線程被阻塞在了哪些鎖上，從而幫助我們找到死鎖的根源並解決問題。

public class Test {
    public static final Object lock1 = new Object();
    public static final Object lock2 = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lock1) {
                    System.out.println("Thread 1: Holding lock 1...");
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                    System.out.println("Thread 1: Waiting for lock 2...");
                    synchronized (lock2) {
                        System.out.println("Thread 1: Holding lock 1 and 2...");
                    }
                }
            }
        }).start();

        new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                synchronized (lock2) {
                    System.out.println("Thread 2: Holding lock 2...");
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                    }
                    System.out.println("Thread 2: Waiting for lock 1...");
                    synchronized (lock1) {
                        System.out.println("Thread 2: Holding lock 1 and 2...");
                    }
                }
            }
        }).start();
    }
}

使用jstack命令可以獲取到以下堆棧信息：

"Thread-0":
  waiting to lock Monitor@0x0000000704003840 (Object@0x000000076c4a52a8, a java.lang.Object),
  which is held by "Thread-1"
"Thread-1":
  waiting to lock Monitor@0x0000000704002b60 (Object@0x000000076c4a52b8, a java.lang.Object),
  which is held by "Thread-0"

從以上堆棧信息可以看出，Thread-0持有的鎖（Object@0x000000076c4a52a8）正在被Thread-1等待獲取，而Thread-1持有的鎖（Object@0x000000076c4a52b8）正在被Thread-0等待獲取。這就是典型的死鎖場景。

2.性能分析

通過分析堆棧信息，可以了解到程序在執行過程中的性能瓶頸，從而針對性地進行優化。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            new String("hello");
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Time used: " + (end - start) + " ms.");
    }
}

使用jstack命令可以獲取到以下堆棧信息：

"main" #1 prio=5 os_prio=0 tid=0x00000000022ce800 nid=0x34b8 runnable [0x000000000215f000]
   java.lang.Thread.State: RUNNABLE
    at java.lang.String.<init>(String.java:604)
    at com.example.Test.main(Test.java:7)

從以上堆棧信息可以看出，程序主要的耗時都花在了創建String對象上。因為每次創建String對象都需要在堆中分配內存，所以這部分操作非常消耗性能。如果需要頻繁地創建相同的字符串，可以考慮使用字符串常量池來避免重複創建對象。

3.異常排查

通過分析堆棧信息，可以快速定位程序運行過程中的異常。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            System.out.println(3 / 0);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

使用jstack命令可以獲取到以下堆棧信息：

"main" #1 prio=5 os_prio=0 tid=0x0000000002e61000 nid=0x2370 waiting on condition [0x00000000027fc000]
   java.lang.Thread.State: WAITING (parking)
    at sun.misc.Unsafe.park(Native Method)
    - parking to wait for   (a java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject)
    at java.util.concurrent.locks.LockSupport.park(LockSupport.java:175)
    at java.util.concurrent.locks.AbstractQueuedSynchronizer$ConditionObject.await(AbstractQueuedSynchronizer.java:2039)
    at java.util.concurrent.LinkedBlockingQueue.take(LinkedBlockingQueue.java:442)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.getTask(ThreadPoolExecutor.java:1074)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.runWorker(ThreadPoolExecutor.java:1134)
    at java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor$Worker.run(ThreadPoolExecutor.java:624)
    at java.lang.Thread.run(Thread.java:748)

從以上堆棧信息可以看出，程序在執行3/0操作時拋出了異常。經過分析，發現異常是由於除數為0造成的。

四、結論

Java堆棧信息分析是程序調試和優化的重要手段。通過分析堆棧信息，可以快速定位線程死鎖、性能瓶頸和異常等問題，並針對性地進行優化。