Spring Boot 微服务性能降九成！使用 Arthas 定位原因。

背景

接收到公司业务部门的开发反馈，应用在升级公司内部框架后，UAT（预生产）环境接口性能压测不达标。
升级前压测报告：

升级后压测报告：

在机器配置（1C4G）相同的情况下，吞吐量从原来的 53.9/s 下降到了 6.4/s，且 CPU 负载较高。

并且开发反馈从公司全链路监控系统 SkyWalking 中查询到的链路信息可以得知大部分请求 Feign 调用的耗时不太正常（390ms），而实际被调用的下游服务响应速度很快（3ms）。

定位问题

在接收到反馈以后，我立即申请了相应机器的权限，并往相应机器上传了 Arthas（version 3.4.3）。

让业务方保持压测，开始问题定位。

1. 执行 profiler 命令对 CPU 进行性能分析

[arthas@17962]$ profiler start -d 30 -f /tmp/arthas/1.txt

等待 30s 后，打开 1.txt，查看 CPU 性能分析结果，开头部分示例如下：

--- 1630160766 ns (4.24%), 141 samples
  ......
  [14] org.springframework.boot.loader.LaunchedURLClassLoader.definePackageIfNecessary
  [15] org.springframework.boot.loader.LaunchedURLClassLoader.loadClass
  [16] java.lang.ClassLoader.loadClass
  [17] java.lang.Class.forName0
  [18] java.lang.Class.forName
  [19] org.springframework.util.ClassUtils.forName
  [20] org.springframework.http.converter.json.Jackson2ObjectMapperBuilder.registerWellKnownModulesIfAvailable
  [21] org.springframework.http.converter.json.Jackson2ObjectMapperBuilder.configure
  [22] org.springframework.http.converter.json.Jackson2ObjectMapperBuilder.build
  [23] org.springframework.web.servlet.config.annotation.WebMvcConfigurationSupport.addDefaultHttpMessageConverters
  [24] org.springframework.web.servlet.config.annotation.WebMvcConfigurationSupport.getMessageConverters
  [25] org.springframework.boot.autoconfigure.http.HttpMessageConverters$1.defaultMessageConverters
  [26] org.springframework.boot.autoconfigure.http.HttpMessageConverters.getDefaultConverters
  [27] org.springframework.boot.autoconfigure.http.HttpMessageConverters.<init>
  [28] org.springframework.boot.autoconfigure.http.HttpMessageConverters.<init>
  [29] org.springframework.boot.autoconfigure.http.HttpMessageConverters.<init>
  [30] com.zhangmen.xxx.DefaultFeignConfig.lambda$feignDecoder$0
  [31] com.zhangmen.xxx.DefaultFeignConfig$$Lambda$704.256909008.getObject
  [32] org.springframework.cloud.openfeign.support.SpringDecoder.decode
  [33] org.springframework.cloud.openfeign.support.ResponseEntityDecoder.decode
 ......

2. 对可疑的方法执行 trace 命令输出方法路径上每个节点的耗时

分析上一步得到的 CPU 性能分析结果，可以发现最占用 CPU 的栈中，确实有 Feign 相关的栈帧。

并且发现 Feign 相关的栈帧周围出现了 com.zhangmen 相关的栈帧：com.zhangmen.xxx.DefaultFeignConfig$$Lambda$704.256909008.getObject 和 com.zhangmen.xxx.DefaultFeignConfig.lambda$feignDecoder$0。

在 1.txt 中搜索 com.zhangmen.xxx.DefaultFeignConfig，发现有 340 次命中，因此认为这是一个非常可疑的方法。

执行 trace 命令输出该方法路径上每个节点的耗时：

[arthas@17962]$ trace com.zhangmen.xxx.DefaultFeignConfig * '#cost>200' -n 3
`---[603.999323ms] com.zhangmen.xxx.DefaultFeignConfig:lambda$feignEncoder$1()
    `---[603.856565ms] org.springframework.boot.autoconfigure.http.HttpMessageConverters:<init>() #42

发现 org.springframework.boot.autoconfigure.http.HttpMessageConverters:() 比较耗时，并继续一层层 trace 追踪下去：

[arthas@17962]$ trace org.springframework.boot.autoconfigure.http.HttpMessageConverters <init> '#cost>200' -n 3
......
[arthas@17962]$ trace org.springframework.http.converter.json.Jackson2ObjectMapperBuilder registerWellKnownModulesIfAvailable '#cost>200' -n 3

最终发现 org.springframework.util.ClassUtils:forName() 比较耗时，并且抛出了异常。

使用 watch 命令查看具体的异常：

[arthas@17962]$ watch org.springframework.util.ClassUtils forName -e "throwExp" -n

解决问题

将定位到的问题，反馈给相关业务开发，并建议引入 jackson-datatype-joda 依赖。

引入依赖后压测报告：

吞吐量从原来的 6.4/s 提升到了 69.3/s，比升级框架前的 53.9/s 还要高。

这时候相关业务开发反馈，这个问题是代码中自定义了 Feign 的编解码器（下图所示）导致的，并且这个编解码器在升级框架前也是一直存在的。

于是，对升级框架前的代码进行压测并在压测过程中使用 Arthas 执行以下命令：

发现同样有这个异常。引入 jackson-datatype-joda 依赖，再次进行压测，压测报告如下：

汇总前面的压测结果：

可以发现一个新的问题：为什么新旧版本同时不引入依赖，吞吐量相差近 8 倍，新旧版本同时引入依赖，吞吐量相差近 1 倍？

进一步定位问题

根据上一步中发现的新问题，接下来对 未升级框架并引入依赖的版本 和 升级框架并引入依赖的版本 分别进行压测，并在压测过程中使用 Arthas 的 profiler 命令采样 CPU 性能分析数据，得到样本 1 和样本 2 。并从样本 1 和样本 2 中找到相似栈进行对比：

通过对比可以发现，两个样本的相似栈的前 17 行有所不同。并对样本 2 中的可疑栈帧进行 trace 追踪：

[arthas@10561]$ trace org.apache.catalina.loader.WebappClassLoaderBase$CombinedEnumeration * '#cost>100' -n 3
`---[171.744137ms] org.apache.catalina.loader.WebappClassLoaderBase$CombinedEnumeration:hasMoreElements()
    `---[171.736943ms] org.apache.catalina.loader.WebappClassLoaderBase$CombinedEnumeration:inc() #2685
        `---[171.724546ms] org.apache.catalina.loader.WebappClassLoaderBase$CombinedEnumeration:inc()

发现升级框架后，在类加载器这部分存在比较耗时的情况。

而对样本 1 中这部分进行 trace 追踪没有出现耗时大于 100ms 的情况。

又进一步使用 profiler 命令，分别生成两个版本在压测场景下的火焰图，并找到相似栈进行对比：

[arthas@10561]$ profiler start -d 30 -f /tmp/arthas/1.svg

发现 升级框架并引入依赖的版本 还多出了一些 org/springframework/boot/loader/ 相关的栈。

进一步解决问题

将新的发现反馈给相关业务开发。

他们反映此次除了框架升级外，还有 Spring Boot war to jar 部署的调整。从使用独立的 Tomcat war 部署，改造成用 Spring Boot 内嵌 Tomcat java -jar 部署。故怀疑两种部署方式在类加载器上存在性能差异。
相关业务开发在我上一步定位问题期间，根据我最初定位到的问题，在 Google 搜索 feign com.fasterxml.jackson.datatype.joda.JodaModule，找到了一篇相关的文章《loadClass 导致线上服务卡顿分析》。

文章中的作者，遇到的问题与我们基本相似。

看了这篇文章后，我又 Debug 了部分源码，最后了解到问题产生的根本原因是：SpringEncoder / SpringDecoder 在每次编码 / 解码时都会调用 ObjectFactory.getObject()).getConverters() 获取 HttpMessageConverters。而我们自定义的 DefaultFeignConfig 中配置的ObjectFactory 的实现是每次都 new 一个新的 HttpMessageConverters 对象。

HttpMessageConverters 的构造方法又默认会执行 getDefaultConverters 方法获取默认的 HttpMessageConverter 集合，并初始化这些默认的 HttpMessageConverter。其中的 MappingJackson2HttpMessageConverter（有两个，见下图） 每次初始化时都会加载不在 classpath 中的 com.fasterxml.jackson.datatype.joda.JodaModule和 com.fasterxml.jackson.datatype.joda$JodaModule（org.springframework.util.ClassUtils 加载不到类时，会尝试再加载一下内部类），并抛出 ClassNotFoundException，且该异常最后被生吞。

而部分和 XML 相关的默认的 HttpMessageConverter，SourceHttpMessageConverter 和 Jaxb2RootElementHttpMessageConverter（各有两个，见下图）每次初始化时，会执行 TransformerFactory.newInstance()，执行过程中会使用 SPI 扫描 classpath 下的 META-INF / services 目录获取具体的实现，并且每次扫描完也没有获取到具体的实现，最终使用默认指定的 com.sun.org.apache.xalan.internal.xsltc.trax.TransformerFactoryImpl作为实现。

最终导致每一次 Feign 调用（包含编码和解码），都会加载 4 次不在 classpath 中的 com.fasterxml.jackson.datatype.joda.JodaModule 和 com.fasterxml.jackson.datatype.joda$JodaModule（共8次），且 8 次使用 SPI 扫描 classpath 下的 META-INF / services 目录获取查找不到的实现，而 war to jar 后，类加载器在频繁查找和加载资源上的性能有所下降，最终导致严重影响接口性能。

默认的 HttpMessageConverter 集合：

部分关键代码如下。

org/springframework/boot/autoconfigure/http/HttpMessageConverters.：

org/springframework/http/converter/json/Jackson2ObjectMapperBuilder.registerWellKnownModulesIfAvailable：

org/springframework/util.ClassUtils.forName：

org/springframework/http/converter/xml/SourceHttpMessageConverter：

javax/xml/transform/FactoryFinder.find：

文章中对于这个问题还提供了两种解决方法：

第一种方法，就是我最初建议的引入 jackson-datatype-joda 依赖，避免每次初始化默认的 MappingJackson2HttpMessageConverter 时 ClassLoader 反复加载不在 classpath 中的 com.fasterxml.jackson.datatype.joda.JodaModule 和 com.fasterxml.jackson.datatype.joda$JodaModule。

第二种方法，不初始化默认的 HttpMessageConverter。由于我们此处只需要使用自定义的 FastJsonHttpMessageConverter 来执行编解码，完全可以避免执行 getDefaultConverters 方法，重复初始化许多用不到的默认的 HttpMessageConverter。因此在 new HttpMessageConverters 对象时 ，可以将 addDefaultConverters 参数设置为 false。

ObjectFactory<HttpMessageConverters> objectFactory = () -> new HttpMessageConverters(false, new HttpMessageConverter[] { (HttpMessageConverter)fastJsonHttpMessageConverter });

实际上，我们还可以修改 DefaultFeignConfig 中 ObjectFactory 的实现，避免每次都 new 一个新的 HttpMessageConverters 对象（重复初始化 HttpMessageConverters），实现进一步优化。
故建议相关业务开发，将 DefaultFeignConfig 修改成如下代码：

在相关业务开发将新旧版本代码中的 DefaultFeignConfig 都进行改进并部署到 FAT（测试）环境以后，我在自己本机用 JMeter 对 FAT 环境进行了模拟压测。

旧版改进后压测结果：

新版改进后压测结果：

发现此时，两个版本的接口性能已经基本相同。

最终测试人员在 UAT 环境，对升级框架并改进 DefaultFeignConfig 后的代码再次进行压测，压测结果如下：

吞吐量从最初不达标的 6.4/s，提升到了160.4/s。

那为什么 war to jar 部署的调整，会导致类加载器在频繁查找和加载资源时性能有所下降呢？

在对 SpringBoot 可执行 jar 的原理做了一番了解以后。怀疑和 Spring Boot 为了做到能够以一个 fat jar 来启动，从而扩展了 JDK 的 JarFile URL 协议，并定制了自己的 ClassLoader 和 jar 文件协议的 Hander，实现了 jar in jar、jar in directory 的加载方式有关。

对 SpringBoot 可执行 jar 原理感兴趣的朋友可以参考：《可执行 jar 包》。

War2Jar 类加载器性能下降根因探究

为了验证自己的猜测，我在自己本机搭建了一个简单的 Demo。

Demo 中有两个服务，A 和 B。将 A 和 B 都注册到 Eureka 注册中心，并且 A 通过 Feign 调用 B。

接下来使用 Jmeter 在相同的配置下对各种场景进行压测，并在压测过程中使用 Arthas 的 profiler 命令生成各种场景下的火焰图。

压测结果如下（-Xms512m -Xmx512m）：

通过对比表格三和表格四可以得知，代码优化后，是否引入依赖，对吞吐量几乎没有影响。

通过表格三和表格四可以得知，代码优化后，在不会频繁查找和加载不存在的资源时，三种部署方式的吞吐量基本一致。

通过表格二可以得知，在频繁使用 SPI 获取 classpath 下查找不到的实现时，Tomcat war 部署性能更好。

通过表格一可以得知，在频繁加载不存在的类时，将 jar 包解压后通过 JarLauncher 启动性能更好。

对比表格一中 ③ 和 ② 相似栈的火焰图：

可以发现两者在 org/springframework/boot/loader/LaunchedURLClassLoader.loadClass 加载类时，存在差异。

② 不仅会执行 java/lang/ClassLoader.loadClass，还会执行 org/springframework/boot/loader/LaunchedURLClassLoader.definePackageIfNecessary。

查看 org/springframework/boot/loader/LaunchedURLClassLoader.loadClass 的源码：

发现存在一个条件分支。

查看 org/springframework/boot/loader/Launcher.createArchive 的源码：

发现这个条件的值与应用是 可执行 jar 文件 还是 文件目录 有关。

对 ② 再次进行压测，并 trace org/springframework/boot/loader/LaunchedURLClassLoader.definePackageIfNecessary：

`---[165.770773ms] org.springframework.boot.loader.LaunchedURLClassLoader:definePackageIfNecessary()
    +---[0.00347ms] org.springframework.boot.loader.LaunchedURLClassLoader:getPackage() #197
    `---[165.761244ms] org.springframework.boot.loader.LaunchedURLClassLoader:definePackage() #199

发现这个地方确实存在比较耗时的情况。

阅读该部分源码，从注释中即可得知，definePackageIfNecessary 主要是为了在调用 findClass 之前尝试根据类名去定义类所在的 package，确保 jar 文件嵌套 jar 包里的 manifest 能够和 package 关联起来。

Debug definePackageIfNecessary 这部分代码，发现在 definePackage 时，会遍历 BOOT-INF/lib/ 下所有的 jar 包 以及 BOOT-INF/classes/。如果发现这些资源中存在指定的类，就继续调用 definePackage 方法，否则遍历完直接返回 null。