java系统问题定位思路

一、在不同环境排查问题，有不同的方式

       1、如果是在自己的开发环境排查问题，那你几乎可以使用任何自己熟悉的工具来排查，甚至可以进行单步调试。只要问题能重现，排查就不会太困难，最多就是把程序调试到 JDK 或三方类库内部进行分析。

        2、如果是在测试环境排查问题，相比开发环境少的是调试，不过你可以使用 JDK 自带的 jvisualvm 或阿里的Arthas，附加到远程的 JVM 进程排查问题。另外，测试环境允许造数据、造压力模拟我们需要的场景，因此遇到偶发问题时，我们可以尝试去造一些场景让问题更容易出现，方便测试。

        3、如果是在生产环境排查问题，往往比较难：一方面，生产环境权限管控严格，一般不允许调试工具从远程附加进程；另一方面，生产环境出现问题要求以恢复为先，难以留出充足的时间去慢慢排查问题。但，因为生产环境的流量真实、访问量大、网络权限管控严格、环境复杂，因此更容易出问题，也是出问题最多的环境。

二、生产问题的排查很大程度依赖监控

        1、对于日志，主要注意两点：

                ① 确保错误、异常信息可以被完整地记录到文件日志中；

                ② 确保生产上程序的日志级别是 INFO 以上。记录日志要使用合理的日志优先级，DEBUG 用于开发调试、INFO 用于重要流程信息、WARN 用于需要关注的问题、ERROR 用于阻断流程的错误。

        2、对于监控，在生产环境排查问题时，首先就需要开发和运维团队做好充足的监控，而且是多个层次的监控。

                ① 主机层面，对 CPU、内存、磁盘、网络等资源做监控。如果应用部署在虚拟机或 Kubernetes 集群中，那么除了对物理机做基础资源监控外，还要对虚拟机或 Pod 做同样的监控。监控层数取决于应用的部署方案，有一层 OS 就要做一层监控。

                ② 网络层面，需要监控专线带宽、交换机基本情况、网络延迟。

                ③ 所有的中间件和存储都要做好监控，不仅仅是监控进程对 CPU、内存、磁盘 IO、网络使用的基本指标，更重要的是监控组件内部的一些重要指标。比如，著名的监控工具 Prometheus，就提供了大量的exporter来对接各种中间件和存储系统。

                ④ 应用层面，需要监控 JVM 进程的类加载、内存、GC、线程等常见指标（比如使用Micrometer来做应用监控），此外还要确保能够收集、保存应用日志、GC 日志。

        3、对于快照：

        应用进程在某一时刻的快照。通常情况下，我们会为生产环境的 Java 应用设置 -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError 和 -XX:HeapDumpPath=…这 2 个 JVM 参数，用于在出现 OOM 时保留堆快照。

三、分析定位问题的套路   

        1、程序的问题来自以下三个方面：

                ① 程序发布后的 Bug，回滚后可以立即解决。这类问题的排查，可以回滚后再慢慢分析版本差异。

                ② 外部因素，比如主机、中间件或数据库的问题。这类问题的排查方式，按照主机层面的问题、中间件或存储（统称组件）的问题分为两类。

                主机层面的问题，可以使用工具排查：

                        CPU 相关问题，可以使用 top、vmstat、pidstat、ps 等工具排查；

                        内存相关问题，可以使用 free、top、ps、vmstat、cachestat、sar 等工具排查；

                        IO 相关问题，可以使用 lsof、iostat、pidstat、sar、iotop、df、du 等工具排查；

                        网络相关问题，可以使用 ifconfig、ip、nslookup、dig、ping、tcpdump、iptables 等工具排查。                

                组件的问题，可以从以下几个方面排查：

                        排查组件所在主机是否有问题；

                        排查组件进程基本情况，观察各种监控指标；

                        查看组件的日志输出，特别是错误日志；

                        进入组件控制台，使用一些命令查看其运作情况。

                ③ 第三，因为系统资源不够造成系统假死的问题，通常需要先通过重启和扩容解决问题，之后再进行分析，不过最好能留一个节点作为现场。系统资源不够，一般体现在 CPU 使用高、内存泄漏或 OOM 的问题、IO 问题、网络相关问题这四个方面。

                 对于 CPU 使用高的问题，如果现场还在，具体的分析流程是：

                        首先，在 Linux 服务器上运行 top -Hp pid 命令，来查看进程中哪个线程 CPU 使用高；

                        然后，输入大写的 P 将线程按照 CPU 使用率排序，并把明显占用 CPU 的线程 ID 转换为 16 进制；

                        最后，在 jstack 命令输出的线程栈中搜索这个线程 ID，定位出问题的线程当时的调用栈。

                如果没有条件直接在服务器上运行 top 命令的话，我们可以用采样的方式定位问题：间隔固定秒数（比如 10 秒）运行一次 jstack 命令，采样几次后，对比采样得出哪些线程始终处于运行状态，分析出问题的线程。

                如果现场没有了，我们可以通过排除法来分析。CPU 使用高，一般是由下面的因素引起的：

                        a、突发压力。这类问题，我们可以通过应用之前的负载均衡的流量或日志量来确认，诸如 Nginx 等反向代理都会记录 URL，可以依靠代理的 Access Log 进行细化定位，也可以通过监控观察 JVM 线程数的情况。压力问题导致 CPU 使用高的情况下，如果程序的各资源使用没有明显不正常，之后可以通过压测 +Profiler（jvisualvm 就有这个功能）进一步定位热点方法；如果资源使用不正常，比如产生了几千个线程，就需要考虑调参。

                        b、GC。这种情况，我们可以通过 JVM 监控 GC 相关指标、GC Log 进行确认。如果确认是 GC 的压力，那么内存使用也很可能会不正常，需要按照内存问题分析流程做进一步分析。

                        c、程序中死循环逻辑或不正常的处理流程。这类问题，我们可以结合应用日志分析。一般情况下，应用执行过程中都会产生一些日志，可以重点关注日志量异常部分。

                对于内存泄露或 OOM 的问题，最简单的分析方式，就是堆转储后使用 MAT 分析。堆转储，包含了堆现场全貌和线程栈信息，一般观察支配树图、直方图就可以马上看到占用大量内存的对象，可以快速定位到内存相关问题。

                需要注意的是，Java 进程对内存的使用不仅仅是堆区，还包括线程使用的内存（线程个数 * 每一个线程的线程栈）和元数据区。每一个内存区都可能产生 OOM，可以结合监控观察线程数、已加载类数量等指标分析。另外，我们需要注意看一下，JVM 参数的设置是否有明显不合理的地方，限制了资源使用。

                IO 相关的问题，除非是代码问题引起的资源不释放等问题，否则通常都不是由 Java 进程内部因素引发的。

                网络相关的问题，一般也是由外部因素引起的。对于连通性问题，结合异常信息通常比较容易定位；对于性能或瞬断问题，可以先尝试使用 ping 等工具简单判断，如果不行再使用 tcpdump 或 Wireshark 来分析

四、分析和定位问题需要注意的九个点

1、考虑“鸡”和“蛋”的问题。比如，发现业务逻辑执行很慢且线程数增多的情况时，我们需要考虑两种可能性：

       ①  程序逻辑有问题或外部依赖慢，使得业务逻辑执行慢，在访问量不变的情况下需要更多的线程数来应对。比如，10TPS 的并发原先一次请求 1s 可以执行完成，10 个线程可以支撑；现在执行完成需要 10s，那就需要 100 个线程。

        ② 有可能是请求量增大了，使得线程数增多，应用本身的 CPU 资源不足，再加上上下文切换问题导致处理变慢了。

2、考虑通过分类寻找规律。在定位问题没有头绪的时候，我们可以尝试总结规律。

        比如，我们有 10 台应用服务器做负载均衡，出问题时可以通过日志分析是否是均匀分布的，还是问题都出现在 1 台机器。

        又比如，应用日志一般会记录线程名称，出问题时我们可以分析日志是否集中在某一类线程上。再比如，如果发现应用开启了大量 TCP 连接，通过 netstat 我们可以分析出主要集中连接到哪个服务。

3、第三，分析问题需要根据调用拓扑来，不能想当然。

        比如，我们看到 Nginx 返回 502 错误，一般可以认为是下游服务的问题导致网关无法完成请求转发。对于下游服务，不能想当然就认为是我们的 Java 程序，

        比如在拓扑上可能 Nginx 代理的是 Kubernetes 的 Traefik Ingress，链路是 Nginx->Traefik-> 应用，如果一味排查 Java 程序的健康情况，那么始终不会找到根因。

        又比如，我们虽然使用了 Spring Cloud Feign 来进行服务调用，出现连接超时也不一定就是服务端的问题，有可能是客户端通过 URL 来调用服务端，并不是通过 Eureka 的服务发现实现的客户端负载均衡。换句话说，客户端连接的是 Nginx 代理而不是直接连接应用，客户端连接服务出现的超时，其实是 Nginx 代理宕机所致。

4、考虑资源限制类问题。观察各种曲线指标，如果发现曲线慢慢上升然后稳定在一个水平线上，那么一般就是资源达到了限制或瓶颈。

        比如，在观察网络带宽曲线的时候，如果发现带宽上升到 120MB 左右不动了，那么很可能就是打满了 1GB 的网卡或传输带宽。又比如，观察到数据库活跃连接数上升到 10 个就不动了，那么很可能是连接池打满了。观察监控一旦看到任何这样的曲线，都要引起重视。

5、考虑资源相互影响。CPU、内存、IO 和网络，这四类资源就像人的五脏六腑，是相辅相成的，一个资源出现了明显的瓶颈，很可能会引起其他资源的连锁反应。

        比如，内存泄露后对象无法回收会造成大量 Full GC，此时 CPU 会大量消耗在 GC 上从而引起 CPU 使用增加。又比如，我们经常会把数据缓存在内存队列中进行异步 IO 处理，网络或磁盘出现问题时，就很可能会引起内存的暴涨。因此，出问题的时候，我们要考虑到这一点，以避免误判。

6、排查网络问题要考虑三个方面，到底是客户端问题，还是服务端问题，还是传输问题。

        比如，出现数据库访问慢的现象，可能是客户端的原因，连接池不够导致连接获取慢、GC 停顿、CPU 占满等；也可能是传输环节的问题，包括光纤、防火墙、路由表设置等问题；也可能是真正的服务端问题，需要逐一排查来进行区分。

        服务端慢一般可以看到 MySQL 出慢日志，传输慢一般可以通过 ping 来简单定位，排除了这两个可能，并且仅仅是部分客户端出现访问慢的情况，就需要怀疑是客户端本身的问题。对于第三方系统、服务或存储访问出现慢的情况，不能完全假设是服务端的问题。

7、快照类工具和趋势类工具需要结合使用。

        比如，jstat、top、各种监控曲线是趋势类工具，可以让我们观察各个指标的变化情况，定位大概的问题点；而 jstack 和分析堆快照的 MAT 是快照类工具，用于详细分析某一时刻应用程序某一个点的细节。

        一般情况下，我们会先使用趋势类工具来总结规律，再使用快照类工具来分析问题。如果反过来可能就会误判，因为快照类工具反映的只是一个瞬间程序的情况，不能仅仅通过分析单一快照得出结论，如果缺少趋势类工具的帮助，那至少也要提取多个快照来对比。

8、不要轻易怀疑监控。

        如果你真的怀疑是监控系统有问题，可以看一下这套监控系统对于不出问题的应用显示是否正常，如果正常那就应该相信监控而不是自己的经验。

9、如果因为监控缺失等原因无法定位到根因的话，相同问题就有再出现的风险，需要做好三项工作：

        ① 做好日志、监控和快照补漏工作，下次遇到问题时可以定位根因

        ② 针对问题的症状做好实时报警，确保出现问题后可以第一时间发现；

        ③ 考虑做一套热备的方案，出现问题后可以第一时间切换到热备系统快速解决问题，同时又可以保留老系统的现场。