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

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  在JVM内部内部结构实现缓存容器,东方龙马认为最麻烦的事情是要对缓存大小进行控制。为什么我么我另一另有有4个说?我们我们我们我们我们我们我们缓存的是一点值对象(ValueObject)时,一另有有4个难点是计算你这人 点对象(及对象引用的大小)。JVM的API并如此赋予我们我们我们我们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,你还还可以通过ObjectOutputStream又机会自定义的土办法 将对象转上加二进制数据[bytes],从而做到精确控制缓存占用的内存,之后 带来的一另有有4个问题图片图片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)的老会 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。机会一另有有4个对象具有强引用,那就类似于于于必不可少的生活用品,垃圾回收器绝不用回收它。当内存空 间不足,Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误,使任务管理器池池异常终止,本来 会靠随意回收具有强引用的对象来正确处理内存不足问题图片图片。

  强引用的例子:土办法 局部变量、JNI变量、类变量,概括起来,本来 所有GC Root引用可达的前会强引用;

  2.软引用(SoftReference)

  机会一另有有4个对象只具有软引用,那就类似于于于可有可无的生活用品。机会内存空间足够,垃圾回收器就不用回收它,机会内存空间不足了,就会回收那此对象的内存。假使 垃圾回收器如此回收它,该对象就还还可以被任务管理器池池使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

  软引用还还可以和一另有有4个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,机会软引用所引用的对象被垃圾回收,Java虚拟机就会把你这人 软引用加入到与之关联的引用队列中。

  3.弱引用(WeakReference)

  机会一另有有4个对象只具有弱引用,那就类似于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与否,前会回收它的内存。不过,机会垃圾回收器是一另有有4个优先级很低的任务管理器池, 之后 不前会变慢发现那此只具有弱引用的对象。

  弱引用还还可以和一另有有4个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,机会弱引用所引用的对象被垃圾回收,Java虚拟机就会把你这人 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,本来 形同虚设,与一点几种引用前会同,虚引用不用会决定对象的生命周期。机会一另有有4个对象仅持有虚引用,如此它就和如此任何引用一样,在任何之后都机会被垃圾回收。

  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另有有4个区别在于:虚引用还还可以和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃 圾回收器准备回收一另有有4个对象时,机会发现它还有虚引用,就会在回收对象的内存之后,把你这人 虚引用加入到与之关联的引用队列中。任务管理器池池还还可以通过判断引用队列中是 否机会加入了虚引用,来了解被引用的对象与否将要被垃圾回收。任务管理器池池机会发现某个虚引用机会被加入到引用队列,如此就还还可以在所引用的对象的内存被回收之后采 取必要的行动。

  实际上,虚引用的get,老会 返回null。

  java.lang.ref你这人 包(有点是java.lang.ref.SoftReference)似乎把开发者从繁琐的以及容易出问题图片图片的内存管理中解放了出来:既不担心在内存消耗越多时如可快速地释放内存,本来 担心缓存管理不当带来的内存泄漏,事实果真如此么?我们我们我们我们我们我们我们来看一另有有4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老会 出现 性能问题图片图片,最终用户使用系统时老会 老会 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

接到你这人 问题图片图片,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题图片图片分析。最后定位为JVM Heap频繁的Full GC问题图片图片意味 应用老会 出现 性能故障,参考如下:

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

  之后 有Overhead为3000%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,在故障时间点随近,有非常频繁的Full GC,触发的原机会JVM Old区满,之后 每次Full GC后,Old区能释放出来的空闲空间相当少;之后 整个JVM总计的空闲Heap仍然有1GB以上的空间。

  性能问题图片图片意味 :JVM Old区满,频繁的Full GC意味 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

  继续深入分析问题图片图片,我们我们我们我们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 @ 0x7ff59077b30008| 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 |104857300

  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 |958468300

  int |tableSize |33000

  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 @ 0x7ffbf473ee300| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf473b93000| 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 2,488,3002 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 | 12,30004

  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 @ 0x7ffbeee8bc3000| 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 | 9,03000

  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 | 1300,335,888

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d36b133000| 128 | 111,3006,864

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff741d9c93000| 128 | 92,786,784

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5c56577d0| 128 | 55,945,3008

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d4cb7ed0| 128 | 31,30006,712

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5e3ec9c300| 128 | 26,108,840

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff593a07f3000| 128 | 21,771,144

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5923c03000| 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 | 16,689,3000

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff677da56e0| 128 | 13,699,3008

  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2,488,300另有有4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。

  问题图片图片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,之后 触发了频繁的Full GC意味 性能问题图片图片的发生。刚开始的时侯,笔者也犯了一另有有4个同样肤浅的错误,建议客户通过增大JVM Heap对问题图片图片进行缓解,但最终的结果是:服务器发生问题图片图片的频率比设置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。之后 ,RepositoryCache组件如此缓存消耗机制(类似于于缓存的对象的数量机会缓存总计大小),而WindowCache组件我觉得有控制缓存文件数量及总计内存大小,之后 最终的结果与实际你还还可以控制的差距越多,并未如设想那样有效地控制内存消耗。

  既然任务管理器池池是使用java.lang.ref.SoftReference保持对缓存对象的引用,参考另一另有有4个Sun的说法,机会一另有有4个对象非要软引用可达,在内存不足时,是还还可以被回收的,那关键的问题图片图片是JVM的GC如可判定你这人 SoftReference引用的对象多会儿被回收?

  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,有一另有有4个全局的变量clock(实际上本来 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。 一起去,java.lang.ref.SoftReference对象实例均有一另有有4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,java.lang.ref.SoftReference对象实例的timestamp属性,保持的是你这人 对象被访问时的最后一次GC的时间戳;

  当GC发生时,以下另有有4个因素影响SoftReference引用的对象与否被回收:

  1、SoftReference 对象实例的timestamp有多旧;

  2、内存空闲空间的大小;

  与否保留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。简单理解本来 你这人 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)。简单地将你这人 参数理解为一另有有4个常量就好,默认值是30000;Sun JVM还还可以通过参数:-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB进行设置;

  东方龙马上述的判断简单地理解本来 :机会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;之后 ,则将其清除;

  举例:有一另有有4个SoftReference,其属性timestamp值为30000,最后一次GC clock值为300000,ms_per_mb值为30000,之后 空闲空间为1MB,如此表达式:

  300000-30000<=30000*1

  上述表达式返回值为false(30000>30000),之后 ,你这人 SoftReference所引用的对象,会被GC所回收;

  机会此时我们我们我们我们我们我们有4MB的空闲内存,如此你这人 表达式:

  300000-30000<=30000*4

  上述表达式返回值为true(30000<3000),之后 ,你这人 SoftReference所引用的对象,不用被GC所回收;

  还还可以注意的是,JVM老会 保留GC之后访问过的SoftReference引用的对象。为什么我么我?机会GC之后访问过的对象,clock-timestamp老会 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老会 返回true,什么都有得出上述的结论;

  参考上述的理论,我们我们我们我们我们我们要花费还还可以估算一下当一另有有4个对象仅有SoftReference引用可达时,其最大生命的周期情况:

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:30000ms(默认值)

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M: 1S

  10M: 10S

  3000M: 3000S

  30000M 30000S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:3000ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.1S

  10M 1S

  3000M 10S

  30000M 3000S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:10ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.01S

  10M 0.1S

  3000M 1S

  30000M 10S

  300000M 3000S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:5ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  2M 0.01S

  20M 0.1S

  3000M 1S

  30000M 10S

  300000M 3000S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:1ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.001S

  10M 0.01S

  3000M 0.1S

  30000M 1S

  300000M 10S

  至此,对于上述案例的故障成因,东方龙马有了一另有有4个更角度次的认识:

  设置较大的JVM Heap时,机会Sun的New Generation与Old Generation比例关系,每一次GC之后,New Generation释放出来的空闲空间的数量,老会 使SoftReference引用的对象的生存周期保持在一另有有4个较大的值,换言而之,其淘汰的下行时延 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之后,New Generation释放出来的空闲空间的数量更多,从而加剧了你这人 故障的情况;

  当然,故障的根本成因,是应用任务管理器池池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下,通过增大大JVM Heap,以及通过设置参数:-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=0正确处理;

  其它:IBM的JVM针对SoftReference的回收控制,同样有类似于于参数:-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,也还还可以充分考虑其对内存的消耗。另一另有有4个才使我们我们我们我们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,希望我们我们我们我们我们我们的宝贵经验和独到见解还还可以帮助到你。