相對(duì)于靜態(tài)代碼分析，Profiling 是通過(guò)收集程序運(yùn)行時(shí)的信息來(lái)研究程序行為的動(dòng)態(tài)分析方法。其目的在于定位程序需要被優(yōu)化的部分，從而提高程序的運(yùn)行速度或是內(nèi)存使用效率。收集程序運(yùn)行 時(shí)信息的方法主要有以下三種：

• 事件方法：對(duì)于 Java，可以采用 JVMTI（JVM Tools Interface）API 來(lái)捕捉諸如方法調(diào)用、類(lèi)載入、類(lèi)卸載、進(jìn)入 / 離開(kāi)線程等事件，然后基于這些事件進(jìn)行程序行為的分析。
• 統(tǒng)計(jì)抽樣方法（sampling）: 該方法每隔一段時(shí)間調(diào)用系統(tǒng)中斷，然后收集當(dāng)前的調(diào)用棧（call stack）信息，記錄調(diào)用棧中出現(xiàn)的函數(shù)及這些函數(shù)的調(diào)用結(jié)構(gòu)，基于這些信息得到函數(shù)的調(diào)用關(guān)系圖及每個(gè)函數(shù)的 CPU 使用信息。由于調(diào)用棧的信息是每隔一段時(shí)間來(lái)獲取的，因此不是非常精確的，但由于該方法對(duì)目標(biāo)程序的干涉比較少，目標(biāo)程序的運(yùn)行速度幾乎不受影響。
• 植入附加指令方法（BCI）: 該方法在目標(biāo)程序中插入指令代碼，這些指令代碼將記錄 profiling 所需的信息，包括運(yùn)行時(shí)間、計(jì)數(shù)器的值等，從而給出一個(gè)較為精確的內(nèi)存使用情況、函數(shù)調(diào)用關(guān)系及函數(shù)的 CPU 使用信息。該方法對(duì)程序執(zhí)行速度會(huì)有一定的影響，因此給出的程序執(zhí)行時(shí)間有可能不準(zhǔn)確。但是該方法在統(tǒng)計(jì)程序的運(yùn)行軌跡方面有一定的優(yōu)勢(shì)。

目前市面上的 Java Profiler 工具采用的信息收集方法通常是以上三種方法的任意組合。

Profiler 工具功能簡(jiǎn)介

雖然市場(chǎng)上的 Java Profiler 工具有不少，但是基本功能大多相似，本節(jié)首先對(duì)這些基本功能進(jìn)行介紹。

• 遙測(cè)（Telemetry）：遙測(cè)是一種用來(lái)查看應(yīng)用程序運(yùn)行行為的最簡(jiǎn)單的方法。通常會(huì)有多個(gè)視圖（View）分別實(shí)時(shí)地顯示 CPU 使用情況、內(nèi)存使用情況、線程狀態(tài)以及其他一些有用的信息，以便用戶(hù)能很快地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的關(guān)鍵所在。
  • CPU Telemetry 視圖一般用于顯示整個(gè)應(yīng)用程序的 CPU 使用情況，有些工具還能顯示應(yīng)用程序中每個(gè)線程的 CPU 使用情況。
  • Memory Telemetry 視圖一般用于顯示堆內(nèi)存和非堆內(nèi)存的分配和使用情況。
  • Garbage Collection Telemetry 視圖顯示了 JVM 中垃圾收集器的詳細(xì)信息。
  • Threads Telemetry 視圖一般用于顯示當(dāng)前運(yùn)行線程的個(gè)數(shù)、守護(hù)進(jìn)程的個(gè)數(shù)等信息。
  • Classes Telemetry 視圖一般用于顯示已經(jīng)載入和還沒(méi)有載入的類(lèi)的數(shù)量。
• 快照（snapshot）：應(yīng)用程序啟動(dòng)后，profiler 工具開(kāi)始收集各種執(zhí)行數(shù)據(jù)，其中一些數(shù)據(jù)直接顯示在遙測(cè)視圖中，而另外大部分?jǐn)?shù)據(jù)被保存在內(nèi)部，直到用戶(hù)要求獲取快照，基于這些保存的數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)信息才被 顯示出來(lái)。快照包含了應(yīng)用程序在一段時(shí)間內(nèi)的執(zhí)行信息，通常有兩種類(lèi)型的快照：CPU 快照和內(nèi)存快照。
  • CPU 快照主要包含了應(yīng)用程序中函數(shù)的調(diào)用關(guān)系及運(yùn)行時(shí)間，這些信息通常可以在 CPU 快照視圖中進(jìn)行查看。
  • 內(nèi)存快照則主要包含了內(nèi)存的分配和使用情況、載入的所有類(lèi)、存在的對(duì)象信息及對(duì)象間的引用關(guān)系。這些信息通?？梢栽趦?nèi)存快照視圖中進(jìn) 行查看。
• CPU Profiling：CPU Profiling 的主要目的是統(tǒng)計(jì)函數(shù)的調(diào)用情況及執(zhí)行時(shí)間，或者更簡(jiǎn)單的情況就是統(tǒng)計(jì)應(yīng)用程序的 CPU 使用情況。通常有兩種方式來(lái)顯示 CPU Profiling 結(jié)果：CPU 遙測(cè)和 CPU 快照。
• 內(nèi)存 Profiling：內(nèi)存 Profiling 的主要目的是通過(guò)統(tǒng)計(jì)內(nèi)存使用情況檢測(cè)可能存在的內(nèi)存泄露問(wèn)題及確定優(yōu)化內(nèi)存使用的方向。通常有兩種方式來(lái)顯示內(nèi)存 Profiling 結(jié)果：內(nèi)存遙測(cè)和內(nèi)存快照
• 線程 Profiling：線程 Profiling 主要用于在多線程應(yīng)用程序中確定內(nèi)存的問(wèn)題所在。 一般包括三個(gè)方面的信息：
  • 某個(gè)線程的狀態(tài)變化情況
  • 死鎖情況
  • 某個(gè)線程在線程生命期內(nèi)狀態(tài)的分布情況
• Profiling 的啟動(dòng)設(shè)置：類(lèi)似于 eclipse 中 Run 和 Debug 的啟動(dòng)設(shè)置，進(jìn)行 Profiling 之前也需要進(jìn)行啟動(dòng)設(shè)置，包括：profiling 的模式 (CPU profiling 或內(nèi)存 profiling)，信息獲取類(lèi)型（遙測(cè) , 抽樣統(tǒng)計(jì)或者 BCI ) 等等。
• Profiler Preference 設(shè)置：主要用于 Profiler 過(guò)濾器（選擇需要關(guān)注的包、類(lèi)）、取樣間隔時(shí)間的設(shè)置等。

Java Profiler 工具介紹

本文接下來(lái)將對(duì)目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的幾種 Java Profiler 工具進(jìn)行介紹。

TPTP

TPTP（Test and Performance Tools Platform）是 eclipse 官方的 Profiling 工具插件。TPTP 提供了諸如測(cè)試，追蹤（trace），性能測(cè)試，圖形界面性能分析等功能。同時(shí) TPTP 還是一個(gè)可擴(kuò)展的開(kāi)發(fā)平臺(tái)框架，你可以對(duì)它加以擴(kuò)展集成到你自己的產(chǎn)品中。TPTP 可以通過(guò) Eclipse update Manager 或者是安裝包進(jìn)行安裝，安裝成功后會(huì)在 eclipse 中增加如下所示的按鈕，另外一個(gè)專(zhuān)門(mén)的用于檢查 TPTP profiling 結(jié)果的 perspective 也會(huì)添加進(jìn) eclipse 中，如下圖所示：

CodePro Profiler

CodePro Profiler 是由 instantiations 公司推出的一款商用 eclipse 插件，它可以通過(guò) Eclipse update Manager 進(jìn)行安裝或者是將安裝包直接解壓縮后保存在 eclipse 的指定目錄下。與 TPTP 類(lèi)似，安裝成功后，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的用于查看 CodePro profiling 結(jié)果的 perspective 會(huì)添加進(jìn) eclipse 中，如下圖所示：

YourKit Profiler

YourKit Java Profiler 也是一款商用軟件，支持的操作系統(tǒng)包括：Windows, Linux, FreeBSD, Mac OS X, Solaris 以及 HP-UX；支持的 IDE 包括：Eclipse, JBuilder, JDeveloper, NetBeans 以及 Intellij IDEA。安裝成功且首次啟動(dòng) YourKit Java Profiler 后，會(huì)彈出一個(gè)對(duì)話框，讓用戶(hù)選擇 YourKit Java Profiler 要集成進(jìn)的 IDE，并指定該 IDE 的安裝路徑，點(diǎn)擊”Install Plugin”按鈕并集成成功之后，Eclipse 中會(huì)出現(xiàn)如下圖標(biāo)，用戶(hù)就可以從 Eclipse 中啟動(dòng) Profiling，但是 profiling 的結(jié)果需要在 YourKit Java Profiler 中進(jìn)行查詢(xún)，如下圖所示：

JProfiler

JProfiler 是由 ej-technologies 推出的一款商用軟件，支持的操作系統(tǒng)有：Windows, Linux, Mac OS X, FreeBSD, Solaris, AIX 以及 HP-UX；支持的 IDE 包括：Eclipse, NetBeans, Intellij IDEA, JBuiler 以及 JDeveloper。安裝成功并首次啟動(dòng) JProfiler 后，會(huì)彈出一個(gè)設(shè)置界面，當(dāng)完成左欄所示的那些步驟后，Eclipse 中就會(huì)出現(xiàn)如下圖標(biāo)，用戶(hù)就可以從 Eclipse 中啟動(dòng) Profiling。與 YourKit Java Profiler 類(lèi)似，profiling 的結(jié)果需要在 JProfiler 中進(jìn)行查詢(xún)，如下圖所示：

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Java Profiler 工具比較

本章節(jié)將從如下幾個(gè)方面對(duì)上述工具進(jìn)行比較：

• 與 Eclipse 的集成性
  • TPTP：是一款基于 Eclipse 開(kāi)發(fā)的插件，因此與 eclipse 的集成性很好。安裝成功后，對(duì) TPTP 的一切設(shè)置與操控都可以在 eclipse 中完成；另外，profiling 的結(jié)果也可以在 eclipse 中進(jìn)行查詢(xún)。
  • CodePro Profiler: 與 TPTP 類(lèi)似，CodePro Profiler 也是一款基于 eclipse 開(kāi)發(fā)的插件，因此與 eclipse 的集成性很好好。用戶(hù)在 eclipse 中就可以完成對(duì) profiling 的所有操作。
  • YourKit Java Profiler: YourKit Java Profiler 可以說(shuō)是一個(gè)比較獨(dú)立的工具，安裝成功后，用戶(hù)可以直接在 eclipse 中啟動(dòng) YourKit Java Profiler 并對(duì) profiling 選項(xiàng)進(jìn)行配置，但是用戶(hù)必須在 YourKit Java Profiler 工具中對(duì) Profiling preferrence 進(jìn)行配置，而且 profiling 信息必須在 YourKit Java Profiler 中進(jìn)行查看。因此和 Eclipse 的集成度一般。
  • JProfiler: JProfiler 也是一款比較獨(dú)立的工具，安裝成功后，用戶(hù)可以直接在 eclipse 中啟動(dòng) JProfiler，其他所有操作必須回到 JProfiler 工具中進(jìn)行。因此和 Eclipse 的集成性不好。
• 遙測(cè)種類(lèi)
  • TPTP：目前使用的 4.6.2 的版本只提供了線程 Telemetry。
  • CodePro Profiler: 總共有五個(gè)類(lèi)型：CPU, 內(nèi)存 , 線程 , 載入的類(lèi)以及垃圾收集。
  • YourKit Java Profiler: 與 CodePro Profiler 相比，缺少載入類(lèi)的監(jiān)測(cè)。
  • JProfiler: 與 CodePro Profiler 一樣，總共有五個(gè)類(lèi)型的監(jiān)測(cè)方法。
• CPU 快照包含的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)類(lèi)型
  • TPTP： CPU 快照包含的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有：
    • 包的組成關(guān)系，細(xì)化到包含的類(lèi)及類(lèi)中的方法。
    • 方法的調(diào)用關(guān)系：以每個(gè)線程為根節(jié)點(diǎn)的方法調(diào)用信息，對(duì)于樹(shù)中出現(xiàn)的代表方法的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，列出了該方法的運(yùn)行時(shí)間或運(yùn)行時(shí)間百分 比，以及該方法被調(diào)用的次數(shù)。
    • 方法被調(diào)用情況：列出了直接調(diào)用某方法的其他方法，以及這些方法調(diào)用該方法的次數(shù)及相關(guān)運(yùn)行時(shí)間。
    • 熱點(diǎn)列表：包含了 CPU 占用時(shí)間排列前十的方法、類(lèi)或包。
  • CodePro Profiler: CPU 快照包含的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)類(lèi)型有：
    • 包的組成關(guān)系，細(xì)化到包含的類(lèi)及類(lèi)中的方法。
    • 方法的調(diào)用關(guān)系。以樹(shù)結(jié)構(gòu)表示，根據(jù)根節(jié)點(diǎn)表示的對(duì)象的不同，分為三種類(lèi)型：以每個(gè)線程為根節(jié)點(diǎn)的方法調(diào)用關(guān)系，以整個(gè)線程為根 節(jié)點(diǎn)的方法調(diào)用關(guān)系，以及以每個(gè)方法為根節(jié)點(diǎn)的方法調(diào)用關(guān)系。對(duì)于樹(shù)中出現(xiàn)的代表方法的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，列出了該方法的運(yùn)行時(shí)間或運(yùn)行時(shí)間百分比，以及由該方法 生成的對(duì)象個(gè)數(shù)和為這些對(duì)象分配的內(nèi)存大小。
    • 方法的被調(diào)用關(guān)系。該關(guān)系以樹(shù)結(jié)構(gòu)表示，其中根節(jié)點(diǎn)為某個(gè)指定的方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)為父節(jié)點(diǎn)的調(diào)用者。
    • 熱點(diǎn)列表：包含了 CPU 占用時(shí)間排前的一些方法。
  • YourKit Java Profiler：CPU 快照包含的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)類(lèi)型與 CodePro Profiler 類(lèi)似；
  • JProfiler：與 CodePro Profiler 相比，缺少以每個(gè)方法為根節(jié)點(diǎn)的方法調(diào)用關(guān)系。因此當(dāng)要查看以某個(gè)方法為調(diào)用起點(diǎn)的調(diào)用關(guān)系時(shí)，需要到以線程為根的樹(shù)結(jié)構(gòu)當(dāng)中去查找。另外，方法的被調(diào)用 關(guān)系不是以樹(shù)結(jié)構(gòu)來(lái)表示的，而是以圖的方式來(lái)顯示的，當(dāng)調(diào)用關(guān)系比較復(fù)雜的時(shí)候，很難在一個(gè)屏幕中看到一個(gè)全局關(guān)系圖。
• 內(nèi)存快照包含的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)類(lèi)型
  • TPTP：包含了類(lèi)實(shí)例的內(nèi)存分配情況，包括實(shí)例化的對(duì)象個(gè)數(shù)，以及這些對(duì)象的本身占用內(nèi)存的大小。相對(duì)于其它 Java Profiler 工具，TPTP 的內(nèi)存快照包含的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)類(lèi)型比較少。
  • CodePro Profiler: 包含的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)有
    • 類(lèi)實(shí)例的內(nèi)存分配情況，包括實(shí)例化的對(duì)象個(gè)數(shù)，以及這些對(duì)象的 shallow 和 retained 大小。（Shallow size 就是對(duì)象本身占用內(nèi)存的大小，不包含對(duì)其他對(duì)象的引用；Retained size 是該對(duì)象自己的 shallow size，加上從該對(duì)象能直接或間接訪問(wèn)到的 shallow size 之和，即該對(duì)象被 GC 之后所能回收到內(nèi)存的總和）。
    • 最大對(duì)象列表：包含了 retained 大小排前的一些對(duì)象。
    • 有可能存在內(nèi)存泄漏的對(duì)象列表：包含了有可能存在內(nèi)存泄漏的對(duì)象以及可能性大小。
  • YourKit Java Profiler：與 CodePro Profiler 相比，缺少內(nèi)存泄露對(duì)象列表這一項(xiàng)。
  • JProfiler：與 CodePro Profiler 相比，缺少 retained size 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及內(nèi)存泄露對(duì)象列表。
• 源代碼定位功能，即在快照中選中某個(gè)類(lèi)、成員變量或者方法時(shí)，可以在源代碼中定位到對(duì)應(yīng)的定義。
  • TPTP：只能定位到某個(gè)類(lèi)，無(wú)法定位到方法或其中的成員變量。
  • CodePro Profiler: 擁有該功能，但是只能定位到類(lèi)及成員變量，無(wú)法定位到方法。
  • YourKit Java Profiler：可以定位到類(lèi)、成員變量及方法。
  • JProfiler：與 CodePro Profiler 類(lèi)似。
• 快照操作，主要從快照的獲取、快照的保存及快照的比較這三方面進(jìn)行比較。
  • TPTP：當(dāng)應(yīng)用程序啟動(dòng)后，用戶(hù)可以選擇在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行快照獲?。贿@些快照不會(huì)自動(dòng)保存，因此當(dāng) eclipse 關(guān)閉后，這些快照數(shù)據(jù)將會(huì)消失，但是用戶(hù)可以通過(guò) export 的方式將需要的快照保存下來(lái)。
  • CodePro Profiler: 當(dāng)應(yīng)用程序啟動(dòng)后，用戶(hù)可以選擇在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行快照獲??；這些快照會(huì)被自動(dòng)保存在 Eclipse Workspace 之外的一個(gè)臨時(shí)的空間，當(dāng) eclipse 關(guān)閉后，這些快照將會(huì)消失，用戶(hù)可以通過(guò) export 的方式將需要的快照保存下來(lái)；CodePro Profiler 還提供了快照的比較功能，不過(guò)前提是這兩個(gè)快照的類(lèi)型必須相同（例如：都是以 sampling 模式或 BCI 模式運(yùn)行的）。
  • YourKit Java Profiler：當(dāng)應(yīng)用程序啟動(dòng)后，用戶(hù)可以選擇在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行快照獲取，針對(duì)內(nèi)存快照，YourKit Java Profiler 還提供了自動(dòng)獲取快照的功能；這些快照會(huì)被自動(dòng)保存到一個(gè)臨時(shí)的文件夾中，eclipse 關(guān)閉后，這些文件不會(huì)消失；另外，YourKit Java Profiler 也提供了快照比較功能。
  • JProfiler：工具會(huì)要求你指定一個(gè)目錄來(lái)保存該 snapshot。
• 性能，在 sampling 模式下，這些工具的性能相差不大，這里主要比較在 BCI 模式下的性能。
  • TPTP：目前使用的 4.6.2 的版本沒(méi)有 BCI 模式。
  • CodePro Profiler：當(dāng)程序比較大的情況下，采用 BCI 模式進(jìn)行 profiling 的速度比較慢；另外，在獲取內(nèi)存泄露候選者的時(shí)候，速度也是相當(dāng)慢。（當(dāng)程序代碼量 5 萬(wàn)行時(shí)，用 CodePro Profiler 進(jìn)行 Profiling 需要 5 分鐘，在獲取內(nèi)存泄露候選者時(shí)，需要花費(fèi) 20 分鐘）
  • YourKit Java Profiler：BCI 模式下的運(yùn)行速度還可以。（當(dāng)程序代碼量為 5 萬(wàn)行時(shí)，需要 1 分鐘）
  • JProfiler：感覺(jué)不出程序運(yùn)行速度受影響。（當(dāng)程序代碼量為 5 萬(wàn)行時(shí)，需要半分鐘）
• 健壯性，采用 CodePro Profiler 對(duì)比較大的應(yīng)用程序進(jìn)行 profiling 時(shí)，很容易出現(xiàn)棧溢出的錯(cuò)誤。

結(jié)論

TPTP 是一款基于 eclipse 的開(kāi)源軟件，且提供的功能比較簡(jiǎn)單，因此適用于基于 eclipse 開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，且該應(yīng)用程序比較簡(jiǎn)單的情況；Codepro Profiler 提供的功能相對(duì)來(lái)說(shuō)比較豐富，且與 eclipse 的集成性很好，但是在性能方面有待改善，因此適用于基于 eclipse 開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，且對(duì)性能要求不高的情況；YourKit Java Profiler，JProfiler 與 Eclipse 的集成性都屬于一般，提供的功能也比較豐富，且性能不錯(cuò)，因此適用于對(duì) eclipse 集成度要求不高，且對(duì)性能要求較高的情況。

參考資料

學(xué)習(xí)

• 參考：Profiling 原理。
  
  
• 參考：TPTP 介紹。
  
  
• 參考：CodePro Profiler 介紹。
  
  
• 參考：YourKit Java Profiler 介紹。
  
  
• 參考：JProfiler 介紹。
  
  
• “使 用 TPTP 對(duì) Eclipse 插件進(jìn)行性能剖析和調(diào)優(yōu)”（developerWorks，2010 年 3 月）：TPTP(Eclipse Test & Performance Tools Platform Project) 是 Eclipse 基金下的一個(gè)子項(xiàng)目，用于提供基于 Eclipse 的軟件輔助工具，從測(cè)試到運(yùn)行監(jiān)控，幾乎涵蓋了軟件開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段。本文主要介紹其中的性能分析工具并給出一個(gè)實(shí)例介紹如何在 Eclipse 插件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中使用性能剖析工具進(jìn)行性能分析及調(diào)優(yōu)。
  
  
• 技術(shù) 書(shū)店：瀏覽關(guān)于這些和其他技術(shù)主題的圖書(shū)。
  
  
• developerWorks Java 技術(shù)專(zhuān)區(qū)：數(shù)百篇關(guān)于 Java 編程各個(gè)方面的文章。
  
  

作者簡(jiǎn)介