使用 perf 解决 JDK8 小版本升级后性能下降的问题

编者按：在升级 JDK8U 的小版本后（从 8u74 升级到 8u202），遇到性能剧烈下降的问题（性能下降 13 倍）。该应用是一个非常简单的 Web 应用，且应用在 JDK 升级前后并无任何发布修复。通常来说 JDK 小版本升级都是问题修改，不影响功能和性能使用，而应用性能剧烈下降一定是 JDK 的内部 bug。对于这样明确由 JDK 引起的性能问题，该如何解决？最常见的方法是通过工具分析 JVM 执行过程，检查函数执行的情况是否发生变化，如果找到变化，则可以深入分析哪些因素引起了变化，并进一步得到根因。笔者使用 perf 工具分析 JVM 执行时的热点函数，并对出现问题的函数进行剖析，使用函数插桩来分析函数的执行次数，发现不同版本行为差异的根源，并找到了引起问题的根因。希望读者遇到性能问题时可以参照本文使用 perf 工具对问题进行定位。

工欲善其事，必先利其器。程序员在定位性能瓶颈的时候，要是有一个趁手的性能调优工具，能一针见血地指出程序的性能问题，可谓事半功倍。

Linux 中最常用的性能调优工具 Perf（Linux 系统原生提供的性能分析工具），使用 perf 先对应用（假设要采样的应用为 JavaApp）进行采样，使用 record 命令，如下：

perf record java JavaApp

另外 perf 能按出现的百分比降序打印 CPU 正在执行的函数名以及调用栈，如命令：

perf report -n

可打印出：

这种结果的输出还是不直观的，Linux 性能优化大师 Brendan Gregg 发明了火焰图（因整个图形看起来像燃烧的火焰而得名），以全局的方式来看各个函数的调用时间分布，以图形化的方式列出调用栈。

初识火焰图

火焰图是基于 perf 的结果生成的图形，我们先了解一下怎么去看火焰图。以下图为例：

X 轴表示被抽样到的次数。理解 X 轴的含义，需先了解采样数据的原理。Perf 是在指定时间段内，每隔一段时间采集一次数据，被采集到的次数越多，说明该函数的执行总时间长，可能的原因有：调用次数多，或者单次执行时间长。因此，X 轴的宽度不能简单的认为是运行时长。Y 轴表示调用栈。

如何从火焰图看出性能的瓶颈在哪里？最有理由怀疑的地方，顶层的“平顶”。关于 perf 和火焰图使用方法可以参官网http://www.brendangregg.com/FlameGraphs/cpuflamegraphs.html。

下面是我们利用火焰图来定位问题的一次实战。

火焰图定位问题的实战

问题发生的场景是客户端向服务器发起 http 请求，服务器返回数据给客户端（这是一个非常简单的服务交互）。我们发现使用 JDK 8u74 的性能要远优于 JDK 8u202 的性能，下表中统计了 20 次服务器的响应时长。

从响应时间来看，8u202 相比 8u74 性能下降 13 倍之多，由于应用本身并未做任何修改，所以考虑使用火焰图来定位性能消耗的问题点。在 8u74 和 8u202 分别运行应用，并用 perf 的 record 抓取数据并生成火焰图。

火焰图定位

对比两张火焰图，使用 8u74 时 ClientHandshaker.processMessage 占比为 1.15%，而在 8u202 中这个函数占比为 23.98%，很明显在 ClientHandshaker.processMessage 带来了性能差异。

两者在这个 ClientHandshaker.processMessage 上的 cpu 消耗差异很大，继续分析这个函数找到根因。

void processMessage(byte handshakeType, int length) throws IOException {
    if(this.state >= handshakeType && handshakeType != 0) {
        //... 异常
    } else {
        label105:
        switch(handshakeType) {
        case 0://hello_request
            this.serverHelloRequest(new HelloRequest(this.input));
            break;
        //...
        case 2://sever_hello
            this.serverHello(new ServerHello(this.input, length));
            break;
        case 11:///certificate
            this.serverCertificate(new CertificateMsg(this.input));
            this.serverKey = this.session.getPeerCertificates()[0].getPublicKey();
            break;
        case 12://server_key_exchange 该消息并不是必须的，取决于协商出的key交换算法
            //...
        case 13: //certificate_request 客户端双向验证时需要
            //...
        case 14://server_hello_done
            this.serverHelloDone(new ServerHelloDone(this.input));
            break;
        case 20://finished
            this.serverFinished(new Finished(this.protocolVersion, this.input, this.cipherSuite));
        }
        if(this.state < handshakeType) {//握手状态
            this.state = handshakeType;
        }
    }
}

processMessage()主要是通过不同的信息类型进行不同的握手消息的处理。而在火焰图中可以看到，JDK8u74 图中，主要消耗在函数 serverFinished()和 serverHello()上，而 JDK8u202 主要消耗在函数 serverHelloDone()和 serverKeyExchange()。在介绍火焰图的时候，我们有提到，X 轴的长度是映射了被采样到的次数。因此需要进一步确定消耗：函数单次执行耗时过长而成为热点，还是因为频繁调用函数导致函数耗时过长而成为热点。可通过字节码插桩（通过 Instrument 技术实现对函数的计数，然后编译成 agent，执行应用时加载 agent，具体使用 Instrument 的方法可以参考官方文档）查看函数 serverHelloDone()的调用次数及执行时间。

JDK8u202 数据
Execute count : 253
Execute count : 258
Execute count : 649
Execute count : 661
serverHelloDone execute time [1881195 ns]
Execute count : 1223
Execute count : 1234
Execute count : 1843
Execute count : 1852
serverHelloDone execute time [1665012 ns]
Execute count : 2446
Execute count : 2456
serverHelloDone execute time [1686206 ns]
JDK8u74 数据
Execute count : 56
Execute count : 56
Execute count : 56
Execute count : 56
Execute count : 56
Execute count : 56

Execute time 是取了每 1000 次调用的平均值，Execute count 每 5000ms 输出一次总执行次数。很明显使用 JDK8u202 时在不断调用 serverHelloDone,而 74 在调用 56 次后没有再调用过这个函数。

初始化握手时，serverHelloDone 方法中，客户端会根据服务端返回加密套件决定加密方式，构造不同的 Client Key Exchange 消息；服务器如果允许重用该会话，则通过在 Server Hello 消息中设置相同的会话 ID 来应答。这样，客户端和服务器就可以利用原有会话的密钥和加密套件，不必重新协商，也就不再走 serverHelloDone 方法。从现象来看， JDK8u202 没有复用会话，而是建立的新的会话。

查看 JDK8u 161 的 release notes，添加了 TLS 会话散列和扩展主密钥扩展支持，找到引入的一个还未修复的 issue，对于带有身份验证的 TLS 的客户端，支持 UseExtendedMasterSecret 会破坏 TLS-Session 的恢复，导致不使用现有的 TLS-Session，而执行新的 Handshake。

JDK8u161 之后的版本(含 JDK8u161)，若复用会话时不能成功恢复 Session，而是创建新的会话，会造成较大性能消耗，且积压的大量的不可复用的 session 造成 GC 压力变大；如果业务场景存在不变更证书密钥，需要复用会话，且对性能有要求，可通过添加参数-Djdk.tls.useExtendedMasterSecret=false 来解决这个问题。

如果遇到相关技术问题（包括不限于毕昇 JDK），可以通过毕昇 JDK 社区求助。毕昇 JDK 社区每双周周二举行技术例会，同时有一个技术交流群讨论 GCC、LLVM 和 JDK 等相关编译技术，感兴趣的同学可以添加如下微信小助手入群（请备注：Complier）。