堆转储、线程转储和核心转储之间的区别

1. 概述

转储是从存储介质中查询的数据，并存储在某个地方以供进一步分析。Java虚拟机(JVM)负责管理Java中的内存，如果出现错误，我们可以从JVM获取转储文件来诊断错误。

在本教程中，我们将探讨三种常见的Java转储文件-堆转储、线程转储和核心转储，并了解它们的用例。

2. 堆转储

在运行时，JVM会创建堆，其中包含正在运行的Java应用程序中正在使用的对象的引用，堆转储包含运行时正在使用的所有对象的当前状态的保存副本。

此外，它还用于分析Java中的OutOfMemoryError错误。

此外，堆转储可以采用两种格式-经典格式和可移植堆格式(PHD)。

经典格式易于理解，而PHD格式是二进制文件，需要使用工具进行进一步分析。此外，PHD格式是堆转储的默认格式。

此外，现代堆转储还包含一些线程信息。从Java 6 Update 14开始，堆转储还包含线程的堆栈跟踪，堆转储中的堆栈跟踪将对象与使用它们的线程联系起来。

Eclipse Memory Analyzer等分析工具支持检索此信息。

2.1 用例

在分析Java应用程序中的OutOfMemoryError时，堆转储可以提供帮助。

让我们看一些抛出OutOfMemoryError的示例代码：

public class HeapDump {
    public static void main(String[] args) {
        List numbers = new ArrayList<>();
        try {
            while (true) {
                numbers.add(10);
            }
        } catch (OutOfMemoryError e) {
            System.out.println("Out of memory error occurred!");
        }
    }
}

在上面的示例代码中，我们创建了一个无限循环的场景，直到堆内存已满。众所周知，new关键字有助于在Java中在堆上分配内存。

为了捕获上述代码的堆转储，我们需要一个工具，最常用的工具之一是jmap。

首先，我们需要通过运行jps命令来获取机器上所有正在运行的Java进程的进程ID：

$ jps

上述命令将所有正在运行的Java进程输出到控制台：

12789 Launcher
13302 Jps
7517 HeapDump

这里我们感兴趣的进程是HeapDump，因此，让我们运行jmap命令，并传入HeapDump进程ID来捕获堆转储：

 $ jmap -dump:live,file=hdump.hprof 7517

上述命令在项目根目录中生成hdump.hprof文件。

最后，我们可以使用Eclipse Memory Analyzer等工具来分析转储文件。

3. 线程转储

线程转储包含特定时刻正在运行的Java程序中所有线程的快照。

线程是进程的最小部分，它通过同时运行多个任务来帮助程序高效运行。

此外，线程转储可以帮助诊断Java应用程序中的效率问题。因此，它是分析性能问题的重要工具，尤其是在应用程序运行缓慢时。

此外，它还可以帮助检测陷入无限循环的线程，还可以帮助识别死锁(即多个线程等待另一个线程释放资源的情况)。

此外，它还可以识别某些线程没有获得足够CPU时间的情况，这有助于识别性能瓶颈。

3.1 用例

这是一个示例程序，由于长时间运行的任务，其性能可能会很慢：

public class ThreadDump {
    public static void main(String[] args) {
        longRunningTask();
    }
    
    private static void longRunningTask() {
        for (int i = 0; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
            if (Thread.currentThread().isInterrupted()) {
                System.out.println("Interrupted!");
                break;
            }
            System.out.println(i);
        }
    }
}

在上面的示例代码中，我们创建了一个循环到Integer.MAX_VALUE的方法，并将该值输出到控制台。这是一个长时间运行的操作，可能会造成性能问题。

为了分析性能，我们可以捕获线程转储。首先，让我们找到所有正在运行的Java程序的进程ID：

$ jps

jps命令将所有Java进程输出到控制台：

3042 ThreadDump
964 Main
3032 Launcher
3119 Jps

我们对ThreadDump进程ID很感兴趣，接下来，让我们使用jstack命令并结合进程ID来获取线程转储：

$ jstack -l 3042 > slow-running-task-thread-dump.txt

上述命令捕获线程转储并将其保存在txt文件中以供进一步分析。

4. 核心转储

核心转储(也称为崩溃转储)包含程序崩溃或突然终止时的快照。

JVM运行的是字节码而不是本机代码，因此，Java代码不会引起核心转储。

然而，有些Java程序使用Java原生接口(JNI)直接运行原生代码。由于外部库可能会崩溃，JNI可能会导致JVM崩溃，我们可以在崩溃时获取核心转储并进行分析。

此外，核心转储是操作系统级别的转储，可用于在JVM崩溃时查找本机调用的详细信息。

4.1 用例

让我们看一个使用JNI生成核心转储的示例。

首先，让我们创建一个名为CoreDump的类来加载本机库：

public class CoreDump {
    private native void core();
    public static void main(String[] args) {
        new CoreDump().core();
    }
    static {
        System.loadLibrary("nativelib");
    }
}

接下来，让我们使用javac命令编译Java代码：

$ CoreDump.java

然后，让我们通过运行javac-h命令来生成本机方法实现的标头：

$ javac -h . CoreDump.java

最后，让我们用C实现一个会导致JVM崩溃的本机方法：

#include <jni.h>
#include "CoreDump.h"
    
void core() {
    int *p = NULL;
    *p = 0;
}
JNIEXPORT void JNICALL Java_CoreDump_core (JNIEnv *env, jobject obj) {
    core();
};
void main() {
}

让我们通过运行gcc命令来编译本机代码：

$ gcc -fPIC -I"/usr/lib/jvm/java-17-graalvm/include" -I"/usr/lib/jvm/java-17-graalvm/include/linux" -shared -o libnativelib.so CoreDump.c

这将生成名为libnativelib.so的共享库，接下来，让我们使用共享库编译Java代码：

$ java -Djava.library.path=. CoreDump

本机方法导致JVM崩溃并在项目目录中生成核心转储：

// ...
# A fatal error has been detected by the Java Runtime Environment:
# SIGSEGV (0xb) at pc=0x00007f9c48878119, pid=65743, tid=65744
# C  [libnativelib.so+0x1119]  core+0x10
# Core dump will be written. Default location: Core dumps may be processed with 
# "/usr/lib/systemd/systemd-coredump %P %u %g %s %t %c %h" (or dumping to /core-java-perf/core.65743)
# An error report file with more information is saved as:
# ~/core-java-perf/hs_err_pid65743.log
// ...

上述输出显示了崩溃信息和转储文件的位置。

5. 主要区别

下面是一个汇总表，显示了三种类型的Java转储文件之间的主要区别：

6. 总结

在本文中，我们通过了解堆转储、线程转储和核心转储的用途，了解了它们之间的区别。此外，我们还查看了包含不同问题的示例代码，并生成了一个转储文件以供进一步分析，每个转储文件在Java应用程序故障排除中都有不同的用途。