阿里云 ARMS 应用监控重磅支持 Java 21

作者：牧思 & 山猎

前言

今年的 9 月 19 日，作为最新的 LTS (Long Term Support) Java 版本，Java 21 正式 GA，带来了不少重量级的更新，详情请参考 The Arrival of Java 21 [ 1] 。虽然目前 Java 11 和 Java 17 都还没有在国内大规模普及，Java 8 依然占据主流地位，但及时更新 JDK 版本可以为开发者带来许多重要的价值，包括应用程序性能和稳定性上的提升，以及可以帮助提升生产力的新功能。作为亚洲地区最有影响力的可观测以及 APM 服务提供方，阿里云 ARMS 团队也第一时间响应 Java 21 的 GA 发布，率先对 Java 21 进行了适配，帮助用户更好的观测 Java 21 应用！

Java 21 主要新特性

Java 21 带来了 15 个新特性，包括虚拟线程、分代式 ZGC 等重磅功能，以及其他方面的优化，让我们先睹为快，体验一下这些新特性：

1. 虚拟线程

虚拟线程 (Virtual Threads) 绝对是 Java 21 中最重量级的新特性，此前在 Java 版本中，每一个 java.lang.Thread 对象都只对应一个操作系统内核中的线程，而线程在操作系统又是一种相对昂贵的系统资源：线程的创建、切换、销毁等操作都需要进入到内核态。在高并发的场景下，如果创建大量线程来处理请求，将会导致多线程被频繁的挂起和切换，非常消耗系统资源。

虚拟线程则是一种轻量级的用户态线程，与传统线程由 OS 调度运行不同，虚拟线程是由 JDK 底层调度运行的，其创建、调度、销毁等操作全部由用户空间的库函数来完成，也就是说虚拟线程与内核中的线程的对应关系是 M:N 的，如图 1 所示：

图 1：线程与虚拟线程关系图

因此，在高并发场景下，创建大量虚拟线程来处理请求的开销，相比创建大量线程来说将会降低很多。在 Java 程序中，线程与虚拟线程的对比如表 1 所示：

表 1：线程与虚拟线程的对比表

在 Java 21 中，可以通过以下几种方法创建虚拟线程并运行：

// 方式一：
Thread vt = Thread.startVirtualThread(() -> {});
// 方式二:
Thread.ofVirtual().unstarted(() -> {});
vt.start();
// 方式三:
ThreadFactory tf = Thread.ofVirtual().factory();
Thread vt = tf.newThread(() -> {});
vt.start();
// 方式四:
ExecutorService executor = Executors.newVirtualThreadPerTaskExecutor();
ThreadFactory tf = Thread.ofVirtual().factory();
Thread vt = tf.newThread(() -> {});
executor.submit(vt);

2. 分代式 ZGC

在 Java 21 中，增加了对 ZGC 的分代支持 (Generational ZGC) 以提高垃圾回收的性能。在此之前，ZGC 是没有分代概念的，每次运行时都会去收集所有的对象，不会考虑对象的年龄。但根据分代收集理论，绝大部分对象都是朝生夕灭的，并且熬过越多次垃圾收集过程的对象会越难死亡。清理年轻代对象需要的资源更少，能清理出更多的内存；反之，清理老年代对象需要的资源更多，能清理出的内存更少。这就意味着，ZGC 可以基于分代收集理论，更进一步的提升垃圾回收效率。于是在 Java 21，分代收集机制被引入，以更频繁的收集年轻代对象，这对于使用 ZGC 的 Java 应用的性能提升，有非常大的帮助。

在 Java 21 上使用 ZGC，首先需要在 Java 启动命令中加入 -XX:+UseZGC 选项开启 ZGC。默认情况下，添加该选项后启用的是非分代的 ZGC，如需使用分代式 ZGC，则需要再额外添加 -XX:+ZGenerational 选项。

# 使用分代式ZGC
$ java -XX:+UseZGC -XX:+ZGenerational ...

3. 其他特性

除了虚拟线程和分代 ZGC，Java 21 还引入了其他有意思的特性，比如：

允许使用_字符声明未命名变量，类似 go 语言中的_。
允许使用匿名类与匿名实例的 main 方法，可以利用如下所示的方式执行 main 函数。

void main() {
    System.out.println("Hello, World!");
}

具体的其它特性，可以参考：openjdk.org/projects/jdk/21/ 。

使用 ARMS 监控 Java 21 应用

ARMS 最新的 3.1.0 版本探针中，我们对 Java 21 进行了支持，开发者可以参考此文开启 Java 21 应用的可观测之旅。

编写 Java 21 应用

首先需要下载安装 JDK 21，可以从 Oracle 等厂商的官网下载安装，也可以通过 sdkman 等三方工具进行下载安装。

安装完 JDK 21 后，可以参考以下代码，编写一个简单的 SpringBoot 3.x 应用，该应用中使用了 Java 21 的 Record Patterns 特性，帮助用户用简洁的语法解构 Java 中的 record 对象：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
  xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
  <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
  <parent>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
    <version>3.0.6</version>
    <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
  </parent>

  <groupId>xxx</groupId>
  <artifactId>xxx</artifactId>
  <version>xxx</version>
  <name>xxx</name>

  <properties>
    <java.version>21</java.version>
  </properties>


  <dependencies>
    <dependency>
      <groupId>org.springframework.boot</groupId>
      <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    </dependency>
  </dependencies>

  <build>
    <plugins>
      <plugin>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
      </plugin>
    </plugins>
  </build>

</project>

@SpringBootApplication
public class DemoApplication {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(DemoApplication.class, args);
    }

    record Point(int x, int y) {

    }

    @RestController
    static class DemoController {
        @RequestMapping("/demo")
        String demo(@RequestParam String type) {
            Object object = null;
            if ("record".equals(type)) {
                object = new Point(1, 2);
            } else {
                object = "object";
            }
            return solve(object);
        }

        private String solve(Object object) {
            if (object instanceof Point(int x, int y)) {
                return "Point: " + x + ":" + y;
            }
            return "Invalid Point";
        }
    }
}

接入 ARMS

对于 Java 应用，ARMS 提供了多种便捷接入方式，您可以参考应用监控接入概述 [ 2] 进行接入。对于运行在阿里云容器服务 ACK [ 3] 中的应用，可以拥有最简单的接入方式：基于 Pilot 模式实现探针的自动注入以及配置，无需修改镜像，只需要在应用 Yaml 中加入 2 个 Pod Label 就能接入 ARMS。

首先为 ACK 集群安装 ack-onepilot 组件，如图2所示：

图 2：安装 ack-onepilot

安装完成之后，在 ACK 集群内创建 Java 应用，并在 pod 的 spec.template.metadata 字段中添加图 3 中的两个 Pod 标签。其中 armsPilotCreateAppName 代表接入到 ARMS 的应用名，可以和 Deployment 名保持一致，armsPilotAutoEnable 设置为 on 即可。您也可以直接编辑 Deployment 的 Yaml 文件添加 Pod 标签。

图 3：添加标签

应用成功部署后，在 ACK 控制台上会展示 ARMS 控制台链接，如图 4 所示，点击就能跳转到 ARMS 控制台。

图 4：ARMS 控制台操作选项

Java 启动应用后，应用也将会打印如图 5 所示的日志，说明应用已经挂载上 ARMS 的探针。

图 5：JDK21 应用启动日志

说明：ARMS 对 Java 21 的支持依赖于 3.1.0 版本探针，截至本文发表之日，3.1.0 版本探针还没有正式发布，您可以钉钉扫码加入 ARMS 支持 Java 21 体验群，获取 3.1.0 版本探针。在 3.1.0 版本正式发布后，您就可以直接在 ARMS 官网下载最新版探针，或者通过通过 Pilot 模式自动获取 3.1.0 版本探针。

ARMS 支持 Java 21 体验钉钉群群号：54565000535*

查看监控数据

应用启动成功后，请求 /demo 接口，将会得到图 7 所示的响应：

图 7：/demo 接口响应

在请求完 /demo 接口后，可前往 ARMS 控制台的应用列表页面点击进入应用的监控页面，如图 8 所示，或者直接在 ACK 控制台上通过转接跳转进入 ARMS 控制台。

图 8：ARMS 控制台应用列表

可以看到，ARMS 已经成功识别到 Java 21 应用，并收集相关可观测数据，如图 9-11 所示，这些观测数据可帮助用户快速洞悉系统运行状况，加速线上问题排查效率，提升业务运行稳定性。更多 ARMS 应用监控的重要功能，比如智能洞察、调用链分析、CPU &内存诊断，请参考 ARMS 应用监控帮助文档 [ 4] 。

图 9：ARMS 应用元信息

图 10：ARMS 应用接口调用信息

图 11：ARMS 应总览信息

ARMS 3.X 版本探针新特性一览

大幅提升了对主流开源框架的埋点覆盖度，支持对 Reactor Netty 和 Vert.x 等异步框架的完整耗时统计，增加了 OceanBase 的组件支持，同时优化了PostgreSQL、Kafka 等组件的埋点设计，提供了更加精准、更加丰富的指标和 Span 数据。详情请参考 ARMS 支持的 Java 组件和框架 [ 5] 。
性能优化，应用接入更加轻量化，更加无感；4C8G 规格的容器场景下，挂载探针带来的额外 CPU 开销相较过往版本降低 50%，使用异步框架的场景 CPU 开销优化幅度达到 65%，性能表现更加良好；启动时间大幅度优化，探针挂载启动耗时降低到 5 秒内，通过容器方式接入，init-container 启动耗时降低到 6 秒内，探针整体启动耗时缩减 10s+；
支持代码热点功能。一般的 Tracing 系统由于只能对主流开源软件框架中的核心方法进行埋点，当耗时位置出现在 Tracing 埋点缺失的用户业务逻辑时，在最终的调用链中会出现一段较长的耗时无法对应到具体的代码执行方法，从而导致无法对业务逻辑耗时进行准确的判断的问题。