东方龙马 | 慎用java.lang.ref.SoftReference实现缓存

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  在JVM组织组织结构实现缓存容器,东方龙马认为最麻烦的事情是要对缓存大小进行控制。为社 会 会 另一一六个说?我们我们我们缓存的是有些值对象(ValueObject)时,一一六个难点是计算三种些对象(及对象引用的大小)。JVM的API并这麼赋予我们我们通过简单的调用即可获得对象(及其引用)大小的能力。当然,你不会 通过ObjectOutputStream又前一天自定义的土土方式将对象转换成二进制数据[bytes],从而做到精确控制缓存占用的内存,否则带来的一一六个问提是对象的序列化与反序列化带来的开销。

  JVM的Reference(java.lang.ref.Reference:Since JDK1.2)的出先 似乎给开发者带来了美好的前景。关于Java编程中的引用,粗略介绍如下:

  1.强引用

  这是使用最普遍的引用。前一天一一六个对象具有强引用,那就类似于必不可少的生活用品,垃圾回收器绝不必回收它。当内存空 间欠缺,Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误,使应用守护进程异常终止,可是我 会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存欠缺问提。

  强引用的例子:土土方式局部变量、JNI变量、类变量,概括起来,可是我 所有GC Root引用可达的全部都是强引用;

  2.软引用(SoftReference)

  前一天一一六个对象只具有软引用,那就类似于可有可无的生活用品。前一天内存空间足够,垃圾回收器就不必回收它,前一天内存空间欠缺了,就会回收哪些对象的内存。假如有一天垃圾回收器这麼回收它,该对象就不会 被应用守护进程使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

  软引用不会 和一一六个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,前一天软引用所引用的对象被垃圾回收,Java虚拟机就会把三种软引用加入到与之关联的引用队列中。

  3.弱引用(WeakReference)

  前一天一一六个对象只具有弱引用,那就类似于可有可无的生活用品。 弱引用与软引用的区别在于:只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器应用守护进程扫描它 所管辖的内存区域的过程中,一旦发现了只具有弱引用的对象,不管当前内存空间足够否有,一定会回收它的内存。不过,前一天垃圾回收器是一一六个优先级很低的应用守护进程, 否则不一定会更快发现哪些只具有弱引用的对象。

  弱引用不会 和一一六个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,前一天弱引用所引用的对象被垃圾回收,Java虚拟机就会把三种弱引用加入到与之关联的引用队列中。

  4.虚引用(PhantomReference)

  "虚引用"顾名思义,可是我 形同虚设,与有些几种引用全部都是同,虚引用无须会决定对象的生命周期。前一天一一六个对象仅持有虚引用,这麼它就和这麼任何引用一样,在任何前一天都前一天被垃圾回收。

  虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。虚引用与软引用和弱引用的一一六个区别在于:虚引用都要和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃 圾回收器准备回收一一六个对象时,前一天发现它还有虚引用,就会在回收对象的内存前一天,把三种虚引用加入到与之关联的引用队列中。应用守护进程不会 通过判断引用队列中是 否前一天加入了虚引用,来了解被引用的对象否有将要被垃圾回收。应用守护进程前一天发现某个虚引用前一天被加入到引用队列,这麼就不会 在所引用的对象的内存被回收前一天采 取必要的行动。

  实际上,虚引用的get,无缘无故返回null。

  java.lang.ref三种包(有点痛 是java.lang.ref.SoftReference)似乎把开发者从繁琐的以及容易出问提的内存管理中解放了出来:既不担心在内存消耗这麼来越多时咋样快速地释放内存,可是我 担心缓存管理不当带来的内存泄漏,事实你造这麼么?你不会 们来看一一六个实际的案例。

  某用户使用Gerrit2作为其代码管理的工具。系统运维工程师反映,近期系统在运行过程中频繁出先 性能问提,最终用户使用系统时无缘无故出先 挂起(无响应)。运行环境如下:

  OS:Linux

  中间件:Gerrit2

  JDK:Sun JDK1.8_0_x

  JVM Heap分配:16G/32G

接到三种问提,遵循既定的思路,让用户做一定的准备,调整JVM的参数捕获故障时的现场信息进行问提分析。最后定位为JVM Heap频繁的Full GC问提原因应用出先 性能故障,参考如下:

  JVM GC日志显示,每一次GC前一天,JVM Heap空闲的空间仍然有1GB以上的空间可用;

  否则有Overhead为30%的GC情况表;

  分析GC Completed以及Overhead情况表,在接近故障点时,有明显的GC频繁及GC时间上升(峰值5923ms);

  原始的JVM GC日志显示,在故障时间点互近,有非常频繁的Full GC,触发的原前一天JVM Old区满,否则每次Full GC后,Old区能释放出来的空闲空间相当少;否则整个JVM总计的空闲Heap仍然有1GB以上的空间。

  性能问提原因:JVM Old区满,频繁的Full GC原因应用性能下降非常严重;

  附注:

  GC Completed or GC :Time(millisecond) spent during garbage collection.

  Overhead: Ratio(%) time spent in allocation failure vs. time between AF

  继续深入分析问提,我们我们发现了内存中发生的大对象:

  Class Name | Shallow Heap | Retained Heap

  ---------------------------------------------------------------------------------------------------

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.WindowCache @ 0x7ff59077b308| 104 | 20,638,034,208

  ---------------------------------------------------------------------------------------------------

  Type |Name |Value

  -------------------------------------------------------------------------------------------------------

  ref |openBytes |20382985278

  ref |openFiles |1859

  int |windowSize |8192

  int |windowSizeShift|13

  boolean|mmap |false

  long |maxBytes |10485730

  int |maxFiles |16384

  int |evictBatch |64

  ref |evictLock |java.util.concurrent.locks.ReentrantLock @ 0x7ff590c04510

  ref |locks |org.eclipse.jgit.internal.storage.file.WindowCache$Lock[16384] @ 0x7ff590e9c7c0

  ref |table |java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceArray @ 0x7ff59077b5c0

  ref |clock |95846830

  int |tableSize |330

  ref |queue |java.lang.ref.ReferenceQueue @ 0x7ff59077b570

  -------------------------------------------------------------------------------------------------------

  Class Name | Shallow Heap | Retained Heap

  ------------------------------------------------------------------------------------------------------

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf48e46a0| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf47ba558| 48 | 48

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf478bff0| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf478bf40| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf478be90| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf473ef90| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf473eee0| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf473ee30| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf473b930| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf4736210| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf47344e0| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf47343d0| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf4727498| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf46640d0| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf4664020| 48 | 8,264

  Total: 15 of 2,488,302 entries; 2,488,587 more | |

  ------------------------------------------------------------------------------------------------------

  评析:

  Class Name | Shallow Heap | Retained Heap

  -----------------------------------------------------------------------------------------------------

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbf42d39e0| 112 | 6,312

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbf3999e48| 112 | 5,752

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbf385dd28| 112 | 264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbf27e1c20| 112 | 12,304

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbf148de08| 112 | 10,048

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbf0b97010| 112 | 12,240

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbef2869e0| 112 | 9,352

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbeee8bc30| 112 | 41,408

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbeee26698| 112 | 10,000

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbec1c1318| 112 | 9,888

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbec1ba1a0| 112 | 9,920

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbeb619898| 112 | 47,144

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbe94a62a0| 112 | 11,696

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbe90dd688| 112 | 9,030

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository @ 0x7ffbe56b3f88| 112 | 12,344

  Total: 15 of 3,379 entries; 3,364 more | |

  -----------------------------------------------------------------------------------------------------

  评析:

  。

  Class Name | Shallow Heap | Retained Heap

  -----------------------------------------------------------------------------------------------

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff593248670| 128 | 168,684,904

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5ca5e57e0| 128 | 163,743,112

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff65d2797c8| 128 | 130,335,888

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff67ed5a5a0| 128 | 116,092,248

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d36b1330| 128 | 111,306,864

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff741d9c930| 128 | 92,786,784

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5c56577d0| 128 | 55,945,308

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d4cb7ed0| 128 | 31,306,712

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5e3ec9c30| 128 | 26,108,840

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff593a07f30| 128 | 21,771,144

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5923c030| 128 | 20,065,688

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5b7dd8768| 128 | 17,462,328

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d74ec5c0| 128 | 16,689,300

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff65327b220| 128 | 15,634,496

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff677da56e0| 128 | 13,699,308

  Total: 15 of 6,459 entries; 6,444 more | |

  -----------------------------------------------------------------------------------------------

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.WindowCache.openBytes接近20G,org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow对象实例达2,488,30一一六个,每个8K,总计19,908,816KB(20,386,627,584Byte)。org.eclipse.jgit.internal.storage.file.FileRepository对象实例3,379个,org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile对象实例6,459个。

  问提来到这里基本上就清晰了:JGit4.1 org.eclipse.jgit.lib.RepositoryCache以及org.eclipse.jgit.internal.storage.file.WindowCache缓存的PackFile以及ByteArrayWindow占用了大片的内存空间。缓存占用了大片Old区的内存,否则触发了频繁的Full GC原因性能问提的发生。刚开始的时侯,笔者也犯了一一六个同样肤浅的错误,建议客户通过增大JVM Heap对问提进行缓解,但最终的结果是:服务器发生问提的频率比设置32G的时侯更频繁;

  笔者尝试分析一下缓存的机制,容器组件RepositoryCache以及WindowCache 其使用的是正是java.lang.ref.SoftReference对缓存对象进行引用。否则,RepositoryCache组件这麼缓存消耗机制(类似于缓存的对象的数量前一天缓存总计大小),而WindowCache组件我嘴笨 有控制缓存文件数量及总计内存大小,否则最终的结果与实际你不会 控制的差距这麼来越多,并未如设想那样有效地控制内存消耗。

  既然应用守护进程是使用java.lang.ref.SoftReference保持对缓存对象的引用,参考另一一六个Sun的说法,前一天一一六个对象这麼软引用可达,在内存欠缺时,是不会 被回收的,那关键的问提是JVM的GC咋样判定三种SoftReference引用的对象几时被回收?

  通过Google大神,东方龙马终于找到相关参考的文章,以下为原文参考:

  对于java.lang.ref.SoftReference对象,有一一六个全局的变量clock(实际上可是我 java.lang.ref.SoftReference的类变量clock,如下图代码所示):其保持了最后一次GC的时间点(以毫秒为单位),即每一次GC发生时,该值均会被重新设置。 同時 ,java.lang.ref.SoftReference对象实例均有一一六个timestamp的属性,其被设置为最后一次成功通过SoftReference对象获取其引用对象时的clock的值(最后一次GC)。可是我 ,java.lang.ref.SoftReference对象实例的timestamp属性,保持的是三种对象被访问时的最后一次GC的时间戳;

  当GC发生时,以下一一六个因素影响SoftReference引用的对象否有被回收:

  1、SoftReference 对象实例的timestamp有多旧;

  2、内存空闲空间的大小;

  否有保留SoftReference引用对象的判断参考表达式,true为不回收,false 为回收:

  interval<=free_heap*ms_per_mb

  说明:

  interval:最后一次GC时间和SoftReference对象实例timestamp的属性的差。简单理解可是我 三种SoftReference引用对象的生存的时长;

  free_heap:JVM Heap中空闲空间大小,单位为MB

  ms_per_mb:每1M空闲空间可保持的SoftReference对象生存的时长(单位毫秒)。简单地将三种参数理解为一一六个常量就好,默认值是30;Sun JVM不会 通过参数:-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB进行设置;

  东方龙马上述的判断简单地理解可是我 :前一天SoftReference引用对象的生存时长<=空闲内存可保持软引用的最大时间范围,则不清除SoftReference所引用的对象;否则,则将其清除;

  举例:有一一六个SoftReference,其属性timestamp值为30,最后一次GC clock值为300,ms_per_mb值为30,否则空闲空间为1MB,这麼表达式:

  300-30<=30*1

  上述表达式返回值为false(300>30),否则,三种SoftReference所引用的对象,会被GC所回收;

  前一天此时我们我们有4MB的空闲内存,这麼三种表达式:

  300-30<=30*4

  上述表达式返回值为true(300<300),否则,三种SoftReference所引用的对象,不必被GC所回收;

  都要注意的是,JVM无缘无故保留GC前一天访问过的SoftReference引用的对象。为社 会 会 ?前一天GC前一天访问过的对象,clock-timestamp无缘无故等于0,即使你通过参数-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB设置ms_per_mb=0,表达式interval<=free_heap*ms_per_mb无缘无故返回true,可是我 得出上述的结论;

  参考上述的理论,我们我们要花费不会 估算一下当一一六个对象仅有SoftReference引用可达时,其最大生命的周期情况表:

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:30ms(默认值)

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M: 1S

  10M: 10S

  30M: 30S

  30M 30S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:30ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.1S

  10M 1S

  30M 10S

  30M 30S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:10ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.01S

  10M 0.1S

  30M 1S

  30M 10S

  300M 30S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:5ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  2M 0.01S

  20M 0.1S

  30M 1S

  30M 10S

  300M 30S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:1ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.001S

  10M 0.01S

  30M 0.1S

  30M 1S

  300M 10S

  至此,对于上述案例的故障成因,东方龙马有了一一六个更深度1次的认识:

  设置较大的JVM Heap时,前一天Sun的New Generation与Old Generation比例关系,每一次GC前一天,New Generation释放出来的空闲空间的数量,无缘无故使SoftReference引用的对象的生存周期保持在一一六个较大的值,换言而之,其淘汰的下行速率 较慢。而Old Generation满频繁触发的Full GC以及内存碎片下发,使得整个JVM非常卡顿;

  而设置更大的JVM Heap后,使得每一次GC前一天,New Generation释放出来的空闲空间的数量更多,从而加剧了三种故障的情况表;

  当然,故障的根本成因,是应用应用守护进程代码并未对缓存进行控制;

  上述案例,在未改动代码及形态的情况表下,通过增大大JVM Heap,以及通过设置参数:-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0解决;

  其它:IBM的JVM针对SoftReference的回收控制,同样有类似于参数:-Xsoftrefthreshold进行控制。以下是关于-Xsoftrefthreshold的描述:

  Sets the number of GCs after which a soft reference will be cleared if its referent has not been marked. The default is 32, meaning that on the 32nd GC where the referent is not marked the soft reference will be cleared.

  刚开始语:

  JVM的Reference(java.lang.ref.Reference:Since JDK1.2)并未像其描述的那样美好,有点痛 是java.lang.ref.SoftReference的使用。同样地,即使是使用Reference实现In-Box的缓存,也都要充分考虑其对内存的消耗。另一一六个才使我们我们的应用运行得更稳定。

  东方龙马凭借在数据库,中间件领域耕耘20余年,希望我们我们的宝贵经验和独到见解不会 帮助到你。