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

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  在JVM内内外部实现缓存容器,东方龙马认为最麻烦的事情是要对缓存大小进行控制。为什么会么会另十2个 说?我们 都都缓存的是这些值对象(ValueObject)时,十2个 难点是计算你这些些对象(及对象引用的大小)。JVM的API并不在 赋予我们 都通过简单的调用即可获得对象(及其引用)大小的能力。当然,给你通过ObjectOutputStream又有就让 自定义的辦法 将对象转再加二进制数据[bytes],从而做到精确控制缓存占用的内存,有就让 带来的十2个 大问题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)的出现 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。有就让 十2个 对象具有强引用,那就累似 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 间不足,Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误,使程序运行池池异常终止,什么都有有我会靠随意回收具有强引用的对象来处理内存不足大问题。

  强引用的例子:辦法 局部变量、JNI变量、类变量,概括起来,什么都有有我所有GC Root引用可达的都是强引用;

  2.软引用(SoftReference)

  有就让 十2个 对象只具有软引用,那就累似 于可有可无的生活用品。有就让 内存空间足够,垃圾回收器就不想回收它,有就让 内存空间不足了,就会回收你这些对象的内存。倘若垃圾回收器不在 回收它,该对象就还可不都可以 被程序运行池池使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

  软引用还可不都可以 和十2个 引用队列(ReferenceQueue)联合使用,有就让 软引用所引用的对象被垃圾回收,Java虚拟机就会把你这些软引用加入到与之关联的引用队列中。

  3.弱引用(WeakReference)

  有就让 十2个 对象只具有弱引用,那就累似 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。在垃圾回收器程序运行池扫描它 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是是否是是,都是回收它的内存。不过,有就让 垃圾回收器是十2个 优先级很低的程序运行池, 有就让 不都是变慢发现你这些只具有弱引用的对象。

  弱引用还可不都可以 和十2个 引用队列(ReferenceQueue)联合使用,有就让 弱引用所引用的对象被垃圾回收,Java虚拟机就会把你这些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,什么都有有我形同虚设,与这些几种引用都是同,虚引用无须会决定对象的生命周期。有就让 十2个 对象仅持有虚引用,不在 它就和不在 任何引用一样,在任何就让 都有就让 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十2个 区别在于:虚引用只能和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃 圾回收器准备回收十2个 对象时,有就让 发现它还有虚引用,就会在回收对象的内存就让 ,把你这些虚引用加入到与之关联的引用队列中。程序运行池池还可不都可以 通过判断引用队列中是 是是否是就让 加入了虚引用,来了解被引用的对象是是是否是是将要被垃圾回收。程序运行池池有就让 发现某个虚引用有就让 被加入到引用队列,不在 就还可不都可以 在所引用的对象的内存被回收就让 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你这些包(有点痛 是java.lang.ref.SoftReference)似乎把开发者从繁琐的以及容易出大问题的内存管理中解放了出来:既不担心在内存消耗不想 时怎样快速地释放内存,什么都有有我担心缓存管理不当带来的内存泄漏,事实甜得不在 么?我们 都都来看十2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现 性能大问题,最终用户使用系统时无缘无故出现 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

接到你这些大问题,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大问题分析。最后定位为JVM Heap频繁的Full GC大问题因为应用出现 性能故障,参考如下:

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

  有就让 有Overhead为200%的GC情况汇报;

  分析GC Completed以及Overhead情况汇报,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,在故障时间点附过,有非常频繁的Full GC,触发的原有就让 JVM Old区满,有就让 每次Full GC后,Old区能释放出来的空闲空间相当少;有就让 整个JVM总计的空闲Heap仍然有1GB以上的空间。

  性能大问题因为:JVM Old区满,频繁的Full GC因为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

  继续深入分析大问题,我们 都发现了内存中指在的大对象:

  Class Name | Shallow Heap | Retained Heap

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.WindowCache @ 0x7ff59077b2008| 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 |104857200

  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 |958468200

  int |tableSize |3200

  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 @ 0x7ffbf473ee200| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf473b9200| 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 2,488,2002 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 | 12,2004

  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 @ 0x7ffbeee8bc200| 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 | 9,0200

  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 | 1200,335,888

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d36b13200| 128 | 111,2006,864

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff741d9c9200| 128 | 92,786,784

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5c56577d0| 128 | 55,945,2008

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d4cb7ed0| 128 | 31,2006,712

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5e3ec9c200| 128 | 26,108,840

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff593a07f200| 128 | 21,771,144

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5923c0200| 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 | 16,689,2000

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff677da56e0| 128 | 13,699,2008

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

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  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.WindowCache.openBytes接近20G,org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow对象实例达2,488,200十2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。

  大问题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,有就让 触发了频繁的Full GC因为性能大问题的指在。开始英语 的时侯,笔者也犯了十2个 同样肤浅的错误,建议客户通过增大JVM Heap对大问题进行缓解,但最终的结果是:服务器指在大问题的频率比设置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。有就让 ,RepositoryCache组件不在 缓存消耗机制(累似 缓存的对象的数量有就让 缓存总计大小),而WindowCache组件随便说说有控制缓存文件数量及总计内存大小,有就让 最终的结果与实际我想要控制的差距不想 ,并未如设想那样有效地控制内存消耗。

  既然程序运行池池是使用java.lang.ref.SoftReference保持对缓存对象的引用,参考另十2个 Sun的说法,有就让 十2个 对象只能软引用可达,在内存不足时,是还可不都可以 被回收的,那关键的大问题是JVM的GC怎样判定你这些SoftReference引用的对象好久被回收?

  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,有十2个 全局的变量clock(实际上什么都有有我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指在时,该值均会被重新设置。 共同,java.lang.ref.SoftReference对象实例均有十2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)。什么都有有,java.lang.ref.SoftReference对象实例的timestamp属性,保持的是你这些对象被访问时的最后一次GC的时间戳;

  当GC指在时,以下十2个 因素影响SoftReference引用的对象是是是否是是被回收:

  1、SoftReference 对象实例的timestamp有多旧;

  2、内存空闲空间的大小;

  是是是否是是保留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。简单理解什么都有有我你这些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)。简单地将你这些参数理解为十2个 常量就好,默认值是2000;Sun JVM还可不都可以 通过参数:-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB进行设置;

  东方龙马上述的判断简单地理解什么都有有我:有就让 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;有就让 ,则将其清除;

  举例:有十2个 SoftReference,其属性timestamp值为2000,最后一次GC clock值为20000,ms_per_mb值为2000,有就让 空闲空间为1MB,不在 表达式:

  20000-2000<=2000*1

  上述表达式返回值为false(2000>2000),有就让 ,你这些SoftReference所引用的对象,会被GC所回收;

  有就让 此时我们 都是4MB的空闲内存,不在 你这些表达式:

  20000-2000<=2000*4

  上述表达式返回值为true(2000<2000),有就让 ,你这些SoftReference所引用的对象,不想被GC所回收;

  只能注意的是,JVM无缘无故保留GC就让 访问过的SoftReference引用的对象。为什么会么会?有就让 GC就让 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,什么都有有得出上述的结论;

  参考上述的理论,我们 都大约还可不都可以 估算一下当十2个 对象仅有SoftReference引用可达时,其最大生命的周期情况汇报:

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:2000ms(默认值)

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M: 1S

  10M: 10S

  200M: 200S

  2000M 2000S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:200ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.1S

  10M 1S

  200M 10S

  2000M 200S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:10ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.01S

  10M 0.1S

  200M 1S

  2000M 10S

  20000M 200S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:5ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  2M 0.01S

  20M 0.1S

  200M 1S

  2000M 10S

  20000M 200S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:1ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.001S

  10M 0.01S

  200M 0.1S

  2000M 1S

  20000M 10S

  至此,对于上述案例的故障成因,东方龙马有了十2个 更深层次的认识:

  设置较大的JVM Heap时,有就让 Sun的New Generation与Old Generation比例关系,每一次GC就让 ,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十2个 较大的值,换言而之,其淘汰的强度较慢。而Old Generation满频繁触发的Full GC以及内存碎片分派,使得整个JVM非常卡顿;

  而设置更大的JVM Heap后,使得每一次GC就让 ,New Generation释放出来的空闲空间的数量更多,从而加剧了你这些故障的情况汇报;

  当然,故障的根本成因,是程序运行运行池池代码并未对缓存进行控制;

  上述案例,在未改动代码及行态的情况汇报下,通过增大大JVM Heap,以及通过设置参数:-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0处理;

  其它:IBM的JVM针对SoftReference的回收控制,同样有累似 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.

  开始英语 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,也只能充分考虑其对内存的消耗。另十2个 才使我们 都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 都的宝贵经验和独到见解还可不都可以 帮助到你。