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通过 JFR 与日志深入探索 JVM - 调试 JVM 的工具 WhiteBox API

news 来源：原创 2024/5/6 15:54:06

在之后的 JFR 事件学习以及调试的过程中，我们会经常用到 WhiteBox API 来触发 JVM 的一些机制或者临界点。例如强制 JVM 现在立刻进行 FullGC 等等。

什么是 WhiteBox API

WhiteBox API 是 HotSpot VM 自带的白盒测试工具，将内部的很多核心机制的 API 暴露出来，用于白盒测试 JVM，压测 JVM 特性，以及辅助学习理解 JVM 并调优参数。WhiteBox API 是 Java 7 引入的，目前 Java 8 LTS 以及 Java 11 LTS（其实是 Java 9+ 以后的所有版本，这里只关心 LTS 版本，Java 9 引入了模块化所以 WhiteBox API 有所变化）都是有的。但是默认这个 API 并没有编译在 JDK 之中，但是他的实现是编译在了 JDK 里面了。所以如果想用这个 API，需要用户自己编译需要的 API，并加入 Java 的 BootClassPath 并启用 WhiteBox API。

WhiteBox API 如何实现的

WhiteBox API 是一个 Java 类，位于 JDK 的测试包中，默认没有编译进标准发行版的 JDK 中。

[这里是代码001]

package sun.hotspot;
public class WhiteBox {
  //仅举两个例子，省略其他 api 以及代码
  // Force Young GC
  public native void youngGC();
  // Force Full GC
  public native void fullGC();
}

可以看出，其实里面的所有 API 都是 JNI 调用，具体实现是：

[这里是代码003]

WB_ENTRY(void, WB_FullGC(JNIEnv* env, jobject o))
  Universe::heap()->soft_ref_policy()->set_should_clear_all_soft_refs(true);
  Universe::heap()->collect(GCCause::_wb_full_gc);
#if INCLUDE_G1GC
  if (UseG1GC) {
    // Needs to be cleared explicitly for G1
    Universe::heap()->soft_ref_policy()->set_should_clear_all_soft_refs(false);
  }
#endif // INCLUDE_G1GC
WB_END

WB_ENTRY(void, WB_YoungGC(JNIEnv* env, jobject o))
  Universe::heap()->collect(GCCause::_wb_young_gc);
WB_END

{CC"youngGC",  CC"()V",                             (void*)&WB_YoungGC },
{CC"fullGC",   CC"()V",                             (void*)&WB_FullGC },

//省略其他代码

可以看出，JNI 调用实现直接调用了底层 JVM 的相关接口，相当于把 JVM 的一些关键机制暴露出来，用于白盒测试。但是如之前所说，JDK 发行版没有包括 test 下的测试代码，也就是 WhiteBox API 所在的 jar 包并没有打进默认的 JDK 中。这就需要我们自己编译一下这个代码。

什么是 BootClassPath

Java 内有三种不同的类加载器：应用类加载器（application classloader），扩展类加载器（extension classloader）还有根类加载器（bootstrap classloader）

应用类加载器，加载我们classpath目录下的所有类文件
扩展类加载器，加载标准 Java 类库扩展的类，就是你的jre目录下的/lib/ext目录下的所有类
根类加载器（bootstrap classloader），扫描 BootClassPath 下的标准 Java 类库的类加载器。标准 Java 类库限制了一些包路径的类，必须通过根类加载器加载。

对于 WhiteBox API，由于是他的包为sun.hotspot，普通的类加载器是不能加载这个包路径的类的，需要通过根类加载器加载。

怎么指定 BootClassPath

在 Java 8，通过 -Xbootclasspath: 或者 -Xbootclasspath/p:指定，例如：

-Xbootclasspath:/home/project/whitebox.jar
-Xbootclasspath/p:/home/project/whitebox.jar

在 Java 9 之后的版本，这两个参数已经过期了，需要改成-Xbootclasspath/a:，例如：

-Xbootclasspath/a:/home/project/whitebox.jar

否则会报错-Xbootclasspath is no longer a supported option.

这里对应的 JDK 源码是：
[这里是代码012]

// -bootclasspath:
} else if (match_option(option, "-Xbootclasspath:", &tail)) {
    jio_fprintf(defaultStream::output_stream(),
      "-Xbootclasspath is no longer a supported option.
");
    return JNI_EINVAL;
// -bootclasspath/a:
} else if (match_option(option, "-Xbootclasspath/a:", &tail)) {
  //将参数添加到 bootclasspath 中
  Arguments::append_sysclasspath(tail);
// -bootclasspath/p:
} else if (match_option(option, "-Xbootclasspath/p:", &tail)) {
    jio_fprintf(defaultStream::output_stream(),
      "-Xbootclasspath/p is no longer a supported option.
");
    return JNI_EINVAL;
}

使用 WhiteBox API

1. 编译 WhiteBox API

将https://github.com/openjdk/jdk/tree/master/test/lib路径下的sun目录取出，编译成一个 jar 包，名字假设是 whitebox.jar

2. 编写测试程序

将 whitebox.jar 添加到你的项目依赖，之后写代码

public static void main(String[] args) throws Exception {
        WhiteBox whiteBox = WhiteBox.getWhiteBox();
        //获取 ReservedCodeCacheSize 这个 JVM flag 的值
        Long reservedCodeCacheSize = whiteBox.getUintxVMFlag("ReservedCodeCacheSize");
        System.out.println(reservedCodeCacheSize);
        //打印堆内存各项指标
        whiteBox.printHeapSizes();
        //执行full GC
        whiteBox.fullGC();
        
        //保持进程不退出，保证日志打印完整
        Thread.currentThread().join();
}

3. 启动程序查看效果

使用启动参数 -Xbootclasspath/a:/home/project/whitebox.jar -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+WhiteBoxAPI -Xlog:gc 启动程序。其中前三个 Flag 表示启用 WhiteBox API，最后一个表示打印 GC info 级别的日志到控制台。

我的输出：

[0.025s][info][gc] Using G1
251658240
Minimum heap 8388608 Initial heap 268435456 Maximum heap 4276092928 Space alignment 2097152 Heap alignment 2097152
[0.899s][info][gc] GC(0) Pause Full (WhiteBox Initiated Full GC) 5M->0M(20M) 45.183ms