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

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  在JVM外部实现缓存容器,东方龙马认为最麻烦的事情是要对缓存大小进行控制。为何曾经说?当大伙儿缓存的是其他值对象(ValueObject)时,曾经难点是计算这种 些对象(及对象引用的大小)。JVM的API并那末赋予大伙儿通过简单的调用即可获得对象(及其引用)大小的能力。当然,你要通过ObjectOutputStream又以前自定义的办法将对象转去掉 二进制数据[bytes],从而做到精确控制缓存占用的内存,而且带来的曾经现象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)的一个劲出現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。以前曾经对象具有强引用,那就类似于于必不可少的生活用品,垃圾回收器绝不想回收它。当内存空 间严重不足,Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误,使任务管理器异常终止,也不 会靠随意回收具有强引用的对象来除理内存严重不足现象。

  强引用的例子:办法局部变量、JNI变量、类变量,概括起来,也不 所有GC Root引用可达的可不可以 强引用;

  2.软引用(SoftReference)

  以前曾经对象只具有软引用,那就类似于于可有可无的生活用品。以前内存空间足够,垃圾回收器就不想回收它,以前内存空间严重不足了,就会回收什么对象的内存。若果垃圾回收器那末回收它,该对象就还可不可以被任务管理器使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

  软引用还可不可以和曾经引用队列(ReferenceQueue)联合使用,以前软引用所引用的对象被垃圾回收,Java虚拟机就会把这种 软引用加入到与之关联的引用队列中。

  3.弱引用(WeakReference)

  以前曾经对象只具有弱引用,那就类似于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。在垃圾回收器任务管理器扫描它 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是有无,可不可以 回收它的内存。不过,以前垃圾回收器是曾经优先级很低的任务管理器, 而且不可不可以 放慢发现什么只具有弱引用的对象。

  弱引用还可不可以和曾经引用队列(ReferenceQueue)联合使用,以前弱引用所引用的对象被垃圾回收,Java虚拟机就会把这种 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,也不 形同虚设,与其他几种引用可不可以 同,虚引用何必 会决定对象的生命周期。以前曾经对象仅持有虚引用,那末它就和那末任何引用一样,在任何以前都以前被垃圾回收。

  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曾经区别在于:虚引用必须和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃 圾回收器准备回收曾经对象时,以前发现它还有虚引用,就会在回收对象的内存以前,把这种 虚引用加入到与之关联的引用队列中。任务管理器还可不可以通过判断引用队列中是 否以前加入了虚引用,来了解被引用的对象是有无将要被垃圾回收。任务管理器以前发现某个虚引用以前被加入到引用队列,那末就还可不可以在所引用的对象的内存被回收以前采 取必要的行动。

  实际上,虚引用的get,一个劲返回null。

  java.lang.ref这种 包(一阵一阵是java.lang.ref.SoftReference)似乎把开发者从繁琐的以及容易出现象的内存管理中解放了出来:既不担心在内存消耗那末来越多时要怎样快速地释放内存,也不 担心缓存管理不当带来的内存泄漏,事实青春恋爱物语那末么?让大伙儿来看曾经实际的案例。

  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一个劲出現性能现象,最终用户使用系统时一个劲一个劲出現挂起(无响应)。运行环境如下:

  OS:Linux

  底下件:Gerrit2

  JDK:Sun JDK1.8_0_x

  JVM Heap分配:16G/32G

接到这种 现象,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现象分析。最后定位为JVM Heap频繁的Full GC现象导致 应用一个劲出現性能故障,参考如下:

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

  而且有Overhead为50%的GC情况;

  分析GC Completed以及Overhead情况,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,在故障时间点付进 ,有非常频繁的Full GC,触发的原以前JVM Old区满,而且每次Full GC后,Old区能释放出来的空闲空间相当少;而且整个JVM总计的空闲Heap仍然有1GB以上的空间。

  性能现象导致 :JVM Old区满,频繁的Full GC导致 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

  继续深入分析现象,大伙儿发现了内存中处在的大对象:

  Class Name | Shallow Heap | Retained Heap

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.WindowCache @ 0x7ff59077b508| 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 |10485750

  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 |95846850

  int |tableSize |350

  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 @ 0x7ffbf473ee50| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf473b950| 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 2,488,502 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 | 12,504

  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 @ 0x7ffbeee8bc50| 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 | 9,050

  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 | 150,335,888

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d36b1350| 128 | 111,506,864

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff741d9c950| 128 | 92,786,784

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5c56577d0| 128 | 55,945,508

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d4cb7ed0| 128 | 31,506,712

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5e3ec9c50| 128 | 26,108,840

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff593a07f50| 128 | 21,771,144

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5923c050| 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 | 16,689,500

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff677da56e0| 128 | 13,699,508

  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2,488,50曾经,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。

  现象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,而且触发了频繁的Full GC导致 性能现象的处在。现在开始的时侯,笔者也犯了曾经同样肤浅的错误,建议客户通过增大JVM Heap对现象进行缓解,但最终的结果是:服务器处在现象的频率比设置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。而且,RepositoryCache组件那末缓存消耗机制(类似于缓存的对象的数量以前缓存总计大小),而WindowCache组件我实在有控制缓存文件数量及总计内存大小,而且最终的结果与实际你要控制的差距那末来越多,并未如设想那样有效地控制内存消耗。

  既然任务管理器是使用java.lang.ref.SoftReference保持对缓存对象的引用,参考曾经Sun的说法,以前曾经对象必须软引用可达,在内存严重不足时,是还可不可以被回收的,那关键的现象是JVM的GC要怎样判定这种 SoftReference引用的对象何时被回收?

  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,有曾经全局的变量clock(实际上也不 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处在时,该值均会被重新设置。 一块儿,java.lang.ref.SoftReference对象实例均有曾经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)。其他其他,java.lang.ref.SoftReference对象实例的timestamp属性,保持的是这种 对象被访问时的最后一次GC的时间戳;

  当GC处在时,以下曾经因素影响SoftReference引用的对象是有无被回收:

  1、SoftReference 对象实例的timestamp有多旧;

  2、内存空闲空间的大小;

  是有无保留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。简单理解也不 这种 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)。简单地将这种 参数理解为曾一个劲量就好,默认值是50;Sun JVM还可不可以通过参数:-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB进行设置;

  东方龙马上述的判断简单地理解也不 :以前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;而且,则将其清除;

  举例:有曾经SoftReference,其属性timestamp值为50,最后一次GC clock值为500,ms_per_mb值为50,而且空闲空间为1MB,那末表达式:

  500-50<=50*1

  上述表达式返回值为false(50>50),而且,这种 SoftReference所引用的对象,会被GC所回收;

  以前此时大伙儿有4MB的空闲内存,那末这种 表达式:

  500-50<=50*4

  上述表达式返回值为true(50<500),而且,这种 SoftReference所引用的对象,不想被GC所回收;

  必须注意的是,JVM一个劲保留GC以前访问过的SoftReference引用的对象。为何?以前GC以前访问过的对象,clock-timestamp一个劲等于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一个劲返回true,其他其他得出上述的结论;

  参考上述的理论,大伙儿大慨还可不可以估算一下当曾经对象仅有SoftReference引用可达时,其最大生命的周期情况:

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:50ms(默认值)

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M: 1S

  10M: 10S

  50M: 50S

  50M 50S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:50ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.1S

  10M 1S

  50M 10S

  50M 50S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:10ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.01S

  10M 0.1S

  50M 1S

  50M 10S

  500M 50S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:5ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  2M 0.01S

  20M 0.1S

  50M 1S

  50M 10S

  500M 50S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:1ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.001S

  10M 0.01S

  50M 0.1S

  50M 1S

  500M 10S

  至此,对于上述案例的故障成因,东方龙马有了曾经更深度图次的认识:

  设置较大的JVM Heap时,以前Sun的New Generation与Old Generation比例关系,每一次GC以前,New Generation释放出来的空闲空间的数量,一个劲使SoftReference引用的对象的生存周期保持在曾经较大的值,换言而之,其淘汰的传输带宽较慢。而Old Generation满频繁触发的Full GC以及内存碎片分发,使得整个JVM非常卡顿;

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

  当然,故障的根本成因,是应用任务管理器代码并未对缓存进行控制;

  上述案例,在未改动代码及价值形式的情况下,通过增大大JVM Heap,以及通过设置参数:-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0除理;

  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.

  现在开始语:

  JVM的Reference(java.lang.ref.Reference:Since JDK1.2)并未像其描述的那样美好,一阵一阵是java.lang.ref.SoftReference的使用。同样地,即使是使用Reference实现In-Box的缓存,也必须充分考虑其对内存的消耗。曾经才使大伙儿的应用运行得更稳定。

  东方龙马凭借在数据库,底下件领域耕耘20余年,希望大伙儿的宝贵经验和独到见解还可不可以帮助到你。