Java Flight Recorder

2025年5月3日 | 阅读 14 分钟

Java Flight Recorder (JFR) 是一种强大的性能监控和分析工具。它可以在持续的基础上诊断、收集和监控正在运行的 Java 应用程序，即使在发生灾难性故障时也能如此。它集成在 JVM 中。该工具提供了一个强大的 GUI 来进行应用程序性能分析。它被用于高负载的生产环境应用程序，如性能分析、黑盒分析支持和调试。在本节中，我们将详细讨论Java Flight Recorder。此外，我们还将了解它的概念、用途、架构、JMC和JFR的基本命令。

什么是 Java Flight Recorder (JFR)？

它首次引入于JDK 1.7。它的功能是用Java编写的。它是一种应用程序诊断工具，可以捕获JVM和应用程序数据。这些数据包括垃圾回收、同步、编译器、CPU使用率、异常、I/O 等。它还提供了一个基于采样的分析器。借助分析器，我们可以获得准确的数据和低开销。它使用循环缓冲区来存储数据。

上图描绘了循环飞行记录缓冲区的概念。新数据不断添加到缓冲区，旧数据被移除。

JFR 工具不能独立使用。因此，它与 Java Mission Control (JMC) 一起使用。JMC 工具包含一个插件，允许我们可视化 JFR 收集的数据。除了 JFR，JDK 还提供了一些其他工具用于监控和分析。

Java VisualVM
JConsole
Java Mission Control
诊断命令工具

请注意，Java VisualVM 过去是 Oracle 和 Open JDK 发行版的一部分。自 Java 9 起，Java VisualVM 已被移除。下图描绘了 JFR 的演变。

注意：如果要在生产环境中使用 JFR 工具，需要商业许可证。

Java Flight Recorder 的优点

与 JFR 类似，也有一些其他工具可用。但 JFR 相较于它们有一些优势，如下所示：

实时分析：它提供 Java 应用程序的实时分析，并且可以与其他工具集成。
提供增强数据：JFR 使用精细的数据模型。这使得交叉引用和过滤事件以提供连贯的数据更加容易。
降低所有权成本：通过减少诊断和故障排除时间来降低成本。因此，它降低了运营成本并提高了系统效率。
允许第三方事件提供商：JFR 还可以监控 WebLogic Server 和其他产品等第三方应用程序。

Flight Recorder 的用途

黑盒分析：JFR 将应用程序信息持续添加到循环缓冲区。当检测到异常时，可以访问缓冲区收集的信息以找出原因。
性能分析：性能分析是一种动态程序分析。这意味着它会测量与性能相关的问题。JFR 执行以下两种性能分析：
1. CPU 性能分析：分析应用程序的性能。
2. 内存性能分析：分析应用程序的内存。
性能分析信息包含垃圾回收详细信息、内存、锁分析、时间复杂度、函数调用的频率和持续时间以及线程采样。性能分析信息有助于应用程序优化。它提高了应用程序的延迟和吞吐量。
支持和调试：当联系 Oracle 支持部门帮助诊断 Java 应用程序问题时，JFR 收集的数据可能非常重要。

JFR 架构

JFR 架构包含以下内容：

JFR 包含一个生成记录的运行时引擎。运行时引擎有两个组件：Agent 和 Producers。

Agent 的工作是处理缓冲区、磁盘和 MBeans 等。它提供了一个用 C 和 Java 代码编写的动态库。Producers 将数据写入缓冲区。

JFR 插件使我们能够使用 JMC。我们可以通过 GUI 轻松地启动、停止和配置记录。

JFR 组件

JFR 有两个主要概念：Event 和 Dataflow。让我们简要讨论一下。

JFR 事件

在 JFR 中，一切都是一个事件。它收集 JVM 中发生的事件以及应用程序日志。事件代表 JVM 和应用程序的状态。JFR 收集的信息分为两部分：Header 和 Payload。

Header 包括大小、事件 ID 和结束时间。Payload 包含特定于事件的数据。除此之外，它还包括开始时间、线程 ID 和堆栈跟踪 ID，但这些是可选的 Payload。记录事件时，必须定义以下两项：

Producer：基本上，Producer 是 JFR 捕获的事件的元数据和命名空间。必须将事件类型注册到 Producer。如果 Producer 不再被引用，事件类型将被移除。但这是一种不良的做法。如果要创建 Producer，只需像下面这样创建一个 Producer 实例：

Producer prdcr = new Producer("Demo Producer", "It is a demo event producer.", https://tpointtech.cn/java-tutorial/);

Event Type：在 Event Type 中，我们定义用于描述事件的元数据以及可用的属性（数据）。

事件	元数据
对于事件	名称、路径、描述
对于 Payload	名称、类型、描述、Content-Type

Content-Type 描述了值的语义。它在 UI 中正确表示值。

Content Type	表示
字节	7 MB
百分比	56%
地址	0x22CDA321
毫秒	20ms
纳秒	4567ns

因此，事件收集了应用程序的非常高层级的数据。我们应该始终记录实际需要的事件，因为这可以最大限度地减少开销。我们还可以按类型、名称和持续时间过滤事件。

事件类型

JFR 收集以下三种类型的事件：

即时事件：这些事件立即发生。即时事件的示例是线程启动。
持续时间事件：这些事件具有开始和结束时间。持续时间事件的示例是垃圾收集器。
可请求事件：这些事件的时间由用户配置。它以固定的间隔记录。它也称为采样事件。可请求事件的示例是每秒的 CPU 使用率。

创建事件

我们可以使用以下代码片段创建自己的事件。

import jdk.jfr.Event;
class DemoEvent
{
}
Void perform()
{
DemoEvent de= new DemoEvent();
//event starts
de.begin();
//do important stuff
//event end
de.end();
de.commit();
}

让我们为一些常量创建一个事件。

import jdk.jfr.Event
class DemoEvent
{
String message;
int msgid;
}
Void perform()
{
DemoEvent de= new DemoEvent();
de.message = "Event Created";
de.msgid = 1120;
de.begin();
//code stuff
de.commit();
}

在上面的代码中，我们还可以做一些额外的事情，为应用程序提供一些有用的提示。为此，我们使用注解。

JFR 注解

下表列出了一些有用的注解。还有一些其他注解可以在Javadoc中找到。

注解	描述	默认
@Name	它描述了事件名称。这是一个类级别的注解。	com.oracle.javatpoint.EventName
@Label	它用于注解字段，如变量和常量。	不适用
@Description	它提供关于某事物的详细描述（大约 1 到 2 行）。	不适用
@Category	它指定一个事件属于哪个类别。	不适用
@Threshold	它指定事件的最小持续时间。	0ns
@Enabled	它控制事件是否应该启用。	true（已启用）
@StackTrace	它允许我们控制（启用/禁用）堆栈跟踪。	true（已启用）

JFR 数据流

事件批量从 JVM 和 Java 应用程序收集数据。它从两者收集数据并将其存储在小的线程本地缓冲区中。然后，当线程缓冲区达到极限时，数据会被刷新到全局缓冲区（或内存中）。类似地，当全局缓冲区达到极限时，旧数据将被丢弃。之后，数据被刷新到存储库。

因此，它的设计足够快，不会抑制程序。所有事件的数据都存储在flight.jfr文件中，因为磁盘 I/O 操作成本更高。该机制更复杂，因为同时应用程序可能具有多个具有不同选项的注册进程。

注意：不可能在两个地方获取数据。这意味着数据块将在磁盘或内存（缓冲区）中可用，但不会同时存在。这避免了数据重叠。

因此，使用 JFR，我们在 JFR 文件中获得的平均数据比请求的要多。请记住，数据可能按时间顺序排列，也可能不按时间顺序排列。下图描绘了 JFR 中事件的数据流。

运行 Java Flight Recorder

配置 JFR

在启用 JFR 工具之前，请确保您使用的是同一 JDK 发行版中的 javac、java、JFR、JMC 和 jcmd 工具。如果您安装了不同版本的 Java，它可能会提供错误的数据。

启用 JFR

我们知道这是一个商业功能。因此，在运行它之前，我们需要解锁商业功能。可以使用以下标志来解锁：

其中DemoApp是应用程序名称。

注意：如果您使用的是 Java 11，则无需激活其商业功能。

启动 JFR

或

高级配置

预记录会话
数据的最大年龄	maxage=<time>
最大存储大小	maxsize=<size>
全局设置 (-XX:FlightRecorderOptions)
最大堆栈跟踪深度	stackdepth=<n> (默认 64)
退出时保存记录	dumponexit=true
日志记录	loglevel=[ERROR\|WARN\|INFO\|DEBUG\|TRACE]
存储库路径	repository=<path>

有三种运行 JFR 的方法：

使用 JMC 中的 JFR 插件
使用命令行选项
使用诊断命令

使用 JMC 中的 JFR 插件

我们可以使用 JFR 插件创建记录。它已集成到 JMC 中。请按照以下步骤创建记录：

右键单击 JVM，然后选择“Start Flight Recording”。如果它是远程 JVM，您需要先创建一个“JVM Connection”。
选择记录类型：固定时间/连续
选择“Event Settings”模板
修改选定的飞行记录模板的事件选项（可选）
修改事件详细信息（可选）

使用命令行选项

当我们在启动应用程序时使用 java 命令，我们也可以启用 JFR、配置它并开始记录。

-XX:+|-FlightRecorder
-XX:FlightRecorderOptions
-XX:StartFlightRecording

注意：命令行选项在 JDK 的商业许可证中可用。如果您想使用它，需要使用以下选项启用它：

使用诊断命令

以下四个诊断命令与 JFR 相关：

JFR.start
JFR.check
JFR.stop
JFR.dump

JFR.start：该命令启动飞行记录。下表描述了可用于该命令的参数。

参数	描述	值类型	默认
name	记录名称	String	-
settings	服务器端模板	String	-
defaultrecording	启动默认记录	Boolean	False
delay	延迟启动记录	时间	0s
duration	记录持续时间	时间	0s（表示“无限期”）
filename	生成的记录文件名	String	-
compression	GZip 压缩生成的记录文件	Boolean	False
maxage	缓冲区数据的最大年龄	时间	0s（表示“无年龄限制”）
maxsize	缓冲区最大大小（以字节为单位）	Long	0（表示“无最大大小”）

JFR.check：该命令检查正在运行的 JFR 记录。下表列出了可用于此命令的参数。下表描述了可用于该命令的参数。

参数	描述	值类型	默认
name	记录名称	String	-
recording	记录 ID	Long	1
verbose	打印详细数据	Boolean	False

JFR.stop：该命令停止正在运行的飞行记录。下表描述了可用于该命令的参数。

参数	描述	值类型	默认
name	记录名称	String	-
recording	记录 ID	Long	1
discard 丢弃记录数据	Boolean	-
copy_to_file	将记录数据复制到文件	String	-
compress_copy	GZip 压缩“copy_to_file”目标	Boolean	False

JFR.dump：该命令将飞行记录信息复制到文件。下表描述了可用于该命令的参数。

参数	描述	值类型	默认
name	记录名称	String	-
recording	记录 ID	Long	1
copy_to_file	将记录数据复制到文件	String	-
compress_copy	GZip 压缩“copy_to_file”目标	Boolean	False

记录会话

记录会话指定要收集的确切信息。有两种预配置设置：

default：它在最大限度地降低开销的同时提供大量信息。
profile：它提供比 default 更多的信息。

我们也可以在Mission Control中配置自己的设置。为了使用 JFR，我们需要激活它。我们可以在 Java 应用程序启动时或运行时激活它。JFR 提供两种记录会话的方法。

使用启动标志
使用 JCMD 工具

使用启动标志

如果我们想在启动时进行连续记录，则使用以下命令：

-XX: +UnlockCommercialFeatures -XX: +FlightRecorder -XX: +StartFlightRecording=delay=20s, duration=60s, name=DemoRecording, filename=C:\TEMP\ DemoRecording.jfr, settings=profile

在上面的命令中，settings 参数接受模板的路径或名称。模板存储在jre\lib\jfr文件夹中。如果想获取更多信息，请更改日志级别，如下所示：

使用 JCMD 工具

如果通过命令行控制 JFR，则使用此命令。

启动记录

jcmd 1354 JFR.start name=DemoRecording settings=profile, delay=30s, duration=6m, filename=C:\TEMP\ DemoRecording.jfr

检查记录

转储记录

解锁商业功能

我们也可以在退出 JVM 时创建记录。我们需要使用以下选项启动应用程序：

-XX:FlightRecorderOptions=defaultrecording=true,dumponexit=true,dumponexitpath=path

记录也可以通过触发器进行。触发器是在满足指定条件时执行的一组规则。如果要使用触发器创建记录，请在 JMX 控制台中显示的 Triggers 选项卡上定义触发器。

JFR 会定期在记录中创建检查点。它包含事件、常量池和事件元数据。它可以在.jfr文件中找到。

记录类型

JFR 允许我们记录两种类型的记录：

固定时间记录
连续记录

固定时间记录

在固定时间记录中，事件会记录固定的一段时间。之后，它会将记录转储到文件中。通常，它用于在指定时间内对 Java 应用程序进行性能分析。

连续记录

在连续记录中，事件没有固定时间。由于记录持续运行。如果我们想停止记录，需要显式转储记录。因此，当我们执行 dump 选项时，我们将获得缓冲区中可用的最近捕获的数据。

下载并安装 JMC

如果您想使用 JFR，则需要安装 JMC。如果您使用的是Eclipse IDE，可以从帮助菜单下的Eclipse Marketplace下载。

让我们通过以下步骤显式下载并安装 JMC：

步骤 1：访问下载 JMC 的链接。该链接会将您带到以下页面。根据您的操作系统，点击链接并下载 JMC。在这里，我们下载 Windows 版 JMC。它开始下载jmc-7.1.2_windows-x64.zip文件。

步骤 2：解压缩 zip 文件并访问jmc-7.1.2_windows-x64\bin目录。我们会看到以下文件和文件夹列表。

步骤 3：打开命令提示符并执行jmc命令。

步骤 4：它会显示一个 Windows 安全警报，请点击允许访问按钮。

之后，JMC 开始运行。

以下 JMC 窗口确保 JMC 正在成功运行。

JFR 实战

让我们创建一个 Java 程序并在实时中监控该程序。以下程序对随机整数序列进行排序。

Main.java

import java.util.Arrays;
import java.util.Random;
import java.util.Scanner;
public class Main 
{
public static void main(String args[])
{
System.out.println("Hit any key to start running the code");
String sc=new Scanner(System.in).nextLine();
Random randomIntegers=new Random();
int array[]=new int[Integer.parseInt(args[0])];
if(args[1].equals("random"))
{
for(int i=0;i<array.length;i++)
{
array[i]=randomIntegers.nextInt(array.length);
}
Arrays.sort(array);
}
//sorts array in increasing order
if(args[1].equals("sorted"))
{
for(int i=0;i<array.length;i++)
{
array[i]=i;
}
Arrays.sort(array);
}
System.out.println("Hit any key to end the application.");
sc=new Scanner(System.in).nextLine();
}
} 

运行程序后，当我们按键时，程序开始工作，因为我们希望程序仅在 Flight Recording 处于活动状态时执行。为了使用 Flight Recorder 执行代码，需要启动 JFR。所以，我们首先编译上面的程序。