Java: устранение проблем. Чтение, отладка и оптимизация JVM-приложений

Лауренциу Спилкэ
Java: устранение проблем
Чтение, отладка и оптимизация 
JVM-приложений

M A N N I N G
SHELTER ISLAND
Troubleshooting Java
READ, DEBUG, AND OPTIMIZE JVM 
APPLICATIONS
LAURENŢIU SPILCĂ

Москва, 2023
Java: устранение 
проблем
Чтение, отладка и оптимизация 
JVM-приложений
ЛАУРЕНЦИУ СПИЛКЭ

УДК   004.41
ББК   32.372
С72
С72    Спилкэ Лауренциу   
Java: устранение проблем. Чтение, отладка и оптимизация JVM-приложений / пер. с англ. А. В. Снастина. – М.: ДМК Пресс, 2023. – 356 с.: ил.
            ISBN 978-5-93700-215-0
В этой книге рассматриваются простые и практичные методики 
исследования и улучшения незнакомого кода на языке программирования Java. Рассказывается о том, как эффективно использовать журналы для понимания поведения приложений; как применять методы 
профилирования для повышения эффективности при анализе проблем 
или изучении рабочих сред; как анализировать взаимодействие одних 
приложений с другими и осуществлять мониторинг системных событий, 
и обо многом другом. 
Издание будет полезно начинающим и опытным разработчикам. Для 
чтения необходимо понимать основы языка Java.
Copyright © DMK Press 2023. Authorized translation of the English edition © 2023 
Manning Publications. This translation is published and sold by permission of Manning 
Publications, the owner of all rights to publish and sell the same.
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в 
какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного 
разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку 
вероятность технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную точность и правильность приводимых сведений. В связи с 
этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с 
использованием книги.
ISBN 978-1-61729-977-3 (англ.) 
  Copyright © 2023 by Manning Publications Co.
ISBN 978-5-93700-215-0 (рус.)   
 © Оформление, перевод на русский язык, 	
 издание, ДМК Пресс, 2023

Оглавление
Предисловие................................................................................................. 10
Благодарности.............................................................................................. 12
Об этой книге................................................................................................ 14
Об авторе...................................................................................................... 18
Об иллюстрации на обложке..................................................................... 18
ЧАСТЬ I. Основы анализа кодовой базы................................................ 19
Глава 1. Раскрытие секретов приложения............................................... 21
1.1. Как облегчить понимание работы приложения................................ 22
1.2. Типовые сценарии для использования методик анализа................. 26
1.2.1. Выяснение причины вывода неожидаемых результатов.................... 27
1.2.2. Изучение конкретных технологий........................................................ 32
1.2.3. Выяснение причин замедления............................................................ 33
1.2.4. Исследование случаев аварийного завершения приложения............. 35
1.3. Зачем нужно читать эту книгу............................................................ 38
1.4. Резюме.................................................................................................. 38
Глава 2. Изучение логики приложения с помощью методик  
отладки.......................................................................................................... 40
2.1. Когда недостаточно просто проанализировать код.......................... 42
2.2. Анализ кода с помощью отладчика.................................................... 45
2.2.1. Что такое трассировка стека выполнения, и как ее использовать...... 51
2.2.2. Перемещение по коду с использованием отладчика........................... 56
2.3. Когда применения отладчика может оказаться недостаточно......... 64
2.4. Резюме.................................................................................................. 65
Глава 3. Поиск главных причин возникновения проблемы 
с использованием расширенных методик отладки............................... 67
3.1. Минимизация времени анализа с помощью условных точек 
останова................................................................................................. 68
3.2. Использование точек останова, которые не приостанавливают 
выполнение........................................................................................... 73
3.3. Динамическое изменение сценария анализа.................................... 75
3.4. Повторное воспроизведение варианта анализа................................ 79
3.5. Резюме.................................................................................................. 85

6    Оглавление
Глава 4. Удаленная отладка приложений................................................. 87
4.1. Что такое удаленная отладка............................................................... 89
4.2. Анализ в удаленных рабочих средах.................................................. 92
4.2.1. Сценарий................................................................................................. 92
4.2.2. Выявление проблем в удаленных средах............................................. 94
4.3. Резюме................................................................................................ 105
Глава 5. Максимальное использование журналов:  
инспектирование поведения приложения............................................107
5.1. Анализ проблем с использованием журналов................................. 111
5.1.1. Использование журналов для идентификации исключений............112
5.1.2. Использование трассировок стека исключений для определения 
стороны, вызывающей метод...............................................................114
5.1.3. Измерение времени, затраченного на выполнение конкретной  
инструкции............................................................................................116
5.1.4. Анализ проблем в многопоточных архитектурах..............................117
5.2. Реализация функций журналирования............................................ 119
5.2.1. Постоянно хранимые журналы...........................................................119
5.2.2. Определение уровней журналирования и использование  
рабочих сред для ведения журналов....................................................121
5.2.3. Проблемы, возникающие при журналировании, и способы  
их устранения........................................................................................129
5.3. Сравнение журналирования с удаленной отладкой........................ 134
5.4. Резюме................................................................................................ 136
ЧАСТЬ II. Глубокий анализ выполнения приложения.......................137
Глава 6.Выявление проблем потребления ресурсов  
с использованием методик профилирования......................................138
6.1. В каких случаях профилировщик оказывается полезным.............. 139
6.1.1. Выявление аномального использования ресурсов............................139
6.1.2. Как определить, какой код выполняется............................................141
6.1.3. Определение узких мест (замедлений) при выполнении  
приложения...........................................................................................141
6.2. Использование профилировщика.................................................... 142
6.2.1. Установка и конфигурирование профилировщика VisualVM...........142
6.2.2. Наблюдение за использованием ЦП и памяти...................................145
6.2.3. Обнаружение утечек памяти...............................................................156
6.3. Резюме................................................................................................ 161
Глава 7. Поиск скрытых проблем с использованием методик 
профилирования........................................................................................163
7.1. Выборка для наблюдения за выполняемым кодом.......................... 164

Оглавление    7
7.2. Профилирование с целью узнать, сколько раз выполнен метод.... 172
7.3. Использование профилировщика для идентификации  
SQL-запросов, выполняемых приложением..................................... 176
7.3.1. Использование профилировщика для извлечения  
SQL-запросов, не генерируемых фреймворком..................................176
7.3.2. Использование профилировщика для получения  
SQL-запросов, генерируемых фреймворком......................................182
7.3.3. Использование профилировщика для получения  
программно сгенерированных SQL-запросов....................................186
7.4. Резюме................................................................................................. 190
Глава 8. Использование продвинутых инструментов визуализации 
для профилируемых данных...................................................................192
8.1. Выявление проблем в JDBC-соединениях........................................ 193
8.2. Изучение проектного решения кода приложения  
с использованием графов вызовов.................................................... 206
8.3. Использование flame-графиков для обнаружения  
проблем с производительностью...................................................... 209
8.4. Анализ запросов в NoSQL базы данных........................................... 212
8.5. Резюме................................................................................................ 213
Глава 9. Анализ блокировок в многопоточных архитектурах............215
9.1. Мониторинг потоков с целью обнаружения блокировок................ 216
9.2. Анализ блокировок потоков.............................................................. 222
9.3. Анализ ожидающих потоков............................................................. 231
9.4. Резюме................................................................................................ 238
Глава 10. Анализ взаимоблокировок с помощью дампов потоков....240
10.1. Получение дампа потоков............................................................... 240
10.1.1. Получение дампа потока с использованием профилировщика.....243
10.1.2. Генерация дампа потоков из командной строки.............................245
10.2. Чтение дампов потоков................................................................... 249
10.2.1. Чтение дампов потоков в виде простого текста..............................249
10.2.2. Использование инструментальных средств для лучшего  
понимания дампов потоков.................................................................255
10.3. Резюме.............................................................................................. 257
Глава 11. Обнаружение проблем, связанных с использованием  
памяти, при выполнении приложения...................................................260
11.1. Выборка и профилирование для выявления проблем  
с памятью............................................................................................ 261
11.2. Использование дампов кучи для поиска утечек памяти............... 268

8    Оглавление
11.2.1. Получение дампа кучи.......................................................................270
11.2.2. Чтение дампа кучи.............................................................................275
11.2.3. Использование консоли OQL для запроса в дамп кучи...................279
11.3. Резюме.............................................................................................. 286
ЧАСТЬ III. Поиск проблем в крупных системах.................................287
Глава 12. Анализ поведения приложений в крупных системах.........288
12.1. Анализ обмена данными между сервисами................................... 289
12.1.1. Использование проб HTTP-сервера для наблюдения  
HTTP-запросов......................................................................................291
2.1.2. Использование проб HTTP-клиента для наблюдения  
HTTP-запросов, отправляемых приложением....................................293
12.1.3. Анализ событий низкого уровня в сокетах.......................................295
12.2. Важность интегрированного мониторинга журналов................... 298
12.3. Использование средств развертывания для анализа.................... 305
12.3.1. Использование инъекции критической ошибки для имитации  
трудновоспроизводимых проблем......................................................307
12.3.2. Использование зеркалирования для обеспечения  
тестирования и выявления ошибок.....................................................309
12.4. Резюме.............................................................................................. 310
Приложение A. Необходимые инструментальные средства..............312
Приложение B. Открытие проекта..........................................................313
Приложение C. Литература, рекомендуемая  
для дополнительного чтения...................................................................316
Приложение D. Понимание потоков Java...............................................318
D.1. Что такое поток.................................................................................. 318
D.2. Жизненный цикл потока.................................................................. 320
D.3. Синхронизация потоков................................................................... 323
D.3.1. Синхронизированные блоки...............................................................323
D.3.2. Использование wait(), notify() и notifyAll().................................................326
D.3.3. Присоединение потоков......................................................................328
D.3.4. Блокировка потоков на определенное время....................................329
D.3.5. Синхронизация потоков с блокирующими объектами.....................331
D.4. Проблемы, наиболее часто возникающие в многопоточных  
архитектурах....................................................................................... 332
D.4.1. Состояние гонки..................................................................................332
D.4.2. Взаимоблокировки..............................................................................333
D.4.3. Динамические (активные) взаимоблокировки.................................334
D.4.4. Голодание (зависание).........................................................................335
D.5. Материал для дополнительного чтения.......................................... 336

Оглавление    9
Приложение E. Управление памятью в Java-приложениях................337
E.1. Как JVM организует память приложения......................................... 338
E.2. Стек, используемый потоками для хранения локальных  
данных................................................................................................. 340
E.3. Куча, которую приложение использует для хранения  
экземпляров объектов........................................................................ 346
E.4. Метапространство – локация памяти для хранения типов  
данных................................................................................................. 349
Предметный указатель.............................................................................351

Предисловие
Чем в действительности зарабатывает на жизнь разработчик программного обеспечения? Чаще всего ответом на этот вопрос становится фраза «реализацией программного обеспечения». Но что она означает? Это только 
лишь написание исходного кода? Ну уж нет. Хотя код действительно является результатом работы каждого разработчика, собственно написание 
исходного кода занимает всего лишь малую часть его рабочего времени. 
А большую часть времени разработчик программного обеспечения на самом деле использует для создания проектных решений, чтения существующего кода, понимания, как он выполняется, и изучения новых методик 
программирования и проектирования ПО. Написание исходного кода – 
это результат успешного выполнения разработчиком всех перечисленных 
выше задач. Таким образом, программист основную часть своего времени 
тратит на изучение существующих решений, а не на фактическое написание кода, реализующего новые возможности.
В конечном счете чистое кодирование имеет ту же цель: научить разработчиков писать легко читаемые программные решения. Разработчики 
прекрасно понимают, что гораздо полезнее с самого начала написать легко 
читаемое решение, чем в дальнейшем тратить время, пытаясь понять его. 
Но нужно честно признаться в том, что не все решения являются доступными для быстрого понимания. Нам всегда будут встречаться сценарии, 
в которых потребуется понимание выполнения некоторой незнакомой 
функциональной возможности.
Действительность такова: разработчики программного обеспечения тратят огромное количество времени, изучая и анализируя, как работают приложения. Они читают и исследуют код в кодовых базах приложений, а также 
установленные зависимости, чтобы понять до конца, почему что-то не работает так, как предполагалось. Иногда разработчики читают код только для 
того, чтобы выявить или лучше понять конкретную зависимость. Во многих случаях чтения кода недостаточно, и необходимо найти другие (иногда 
более сложные) способы исследования того, что именно делает конкретное 
приложение. Чтобы понять, как рабочая среда воздействует на приложение 
или как конкретный экземпляр JVM выполняет Java-приложение, можно 
воспользоваться сочетанием средств профилирования, отладки и анализа 
журналов. Если вам хорошо известны все возможные варианты и методики 
выбора наиболее подходящих инструментов, то вы сэкономите драгоценное время. Следует помнить о том, что именно на это разработчики тратят 
большую часть времени. Эта часть процесса разработки может стать весьма 
продуктивной.
Я написал эту книгу, чтобы помочь людям оптимизировать процесс анализа трудностей и проблем при разработке программного обеспечения.