JVM 如何在底层收集 ThreadDump

问题描述

请解释 JVM 如何在底层收集 ThreadDump。
我不明白它如何收集 CPU 外线程的堆栈跟踪（等待磁盘 IO、网络、非自愿上下文切换）。
例如，linux perf 仅收集有关 CPU 上线程（使用 CPU 周期）的信息

解决方法

我将以 HotSpot JVM 为例。

JVM 维护着所有 Java 线程的列表：对于每个线程，它都有一个对应的 VM 结构。一个线程可以根据其执行上下文处于以下状态之一（HotSpot 知道每个线程的当前状态，因为它负责切换状态）：

• in_Java - 一个线程正在执行 Java 代码，无论是在解释器中还是在 JIT 编译的方法中；
• in_vm - 一个线程位于 VM 运行时函数内；
• in_native - 一个线程正在 JNI 上下文中运行本地方法；
• 还有过渡状态，但为了简单起见，让我们跳过它们。

一个off-cpu线程只能有

• in_native 状态：所有套接字 I/O、磁盘 I/O 和其他阻塞操作仅在本机代码中执行；
• in_vm 状态，当线程被 VM 互斥锁阻塞时。

每当 JVM 调用本机方法或获取竞争互斥锁时，它都会将最后一个 Java 帧指针存储到 Thread 结构中。

现在是关键部分：HotSpot JVM 仅在 safepoint 处获取线程转储。

当您请求线程转储时，JVM 请求停止世界暂停。处于 in_Java 状态的所有线程都在最近的安全点停止，JVM 知道如何遍历堆栈。

处于 in_native 状态的线程不会停止，但它们不需要。 HotSpot 知道它们的最后一个 Java 帧，因为指针存储在 Thread 结构中。知道顶层 Java 框架，JVM 就可以找到它的调用者，然后是调用者的调用者，依此类推。

这里重要的是，无论本地方法做什么，堆栈的 Java 部分都被“冻结”了。堆栈的顶部（本机）可以来回更改，而底部（Java）保持不变。它不能改变，因为 JVM 在每次从 in_native 到 in_Java 的切换上检查挂起的安全点操作：如果本机方法返回，并且 VM 当前正在运行停止世界操作，当前线程阻塞直到操作结束。

因此，获取线程转储涉及

1. 在安全点停止所有 in_Java 和 in_vm 线程；
2. 遍历 JVM 维护的全局线程列表；
3. 如果一个线程正在运行native方法，它的顶层Java框架存储在一个线程结构中；如果线程正在运行 Java 代码，则其顶部框架对应于当前正在执行的 Java 方法。
4. 每一帧都有一个指向前一帧的链接，因此给定顶部帧，JVM 可以构建到底部的整个堆栈跟踪。