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。为什么么会 会 而是说?当大伙缓存的是这一值对象(ValueObject)时,另4个难点是计算这一些对象(及对象引用的大小)。JVM的API并那么 赋予大伙通过简单的调用即可获得对象(及其引用)大小的能力。当然,而且 你通过ObjectOutputStream又后来自定义的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,而且 带来的另4个问题报告 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)的再次再次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。后来另4个对象具有强引用,那就这类必不可少的生活用品,垃圾回收器绝时会回收它。当内存空 间欠缺,Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误,使守护程序异常终止,而是会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存欠缺问题报告 。

  强引用的例子:土方式局部变量、JNI变量、类变量,概括起来,而是所有GC Root引用可达的全是 强引用;

  2.软引用(SoftReference)

  后来另4个对象只具有软引用,那就这类可有可无的生活用品。后来内存空间足够,垃圾回收器就时会回收它,后来内存空间欠缺了,就会回收哪此对象的内存。而且我垃圾回收器那么 回收它,该对象就能够被守护程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

  软引用能够和另4个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,后来软引用所引用的对象被垃圾回收,Java虚拟机就会把这一软引用加入到与之关联的引用队列中。

  3.弱引用(WeakReference)

  后来另4个对象只具有弱引用,那就这类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。在垃圾回收器守护程序扫描它 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,全是回收它的内存。不过,后来垃圾回收器是另4个优先级很低的守护程序, 而且 不全是放慢发现哪此只具有弱引用的对象。

  弱引用能够和另4个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,后来弱引用所引用的对象被垃圾回收,Java虚拟机就会把这一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,而是形同虚设,与这一几种引用全是 同,虚引用并时会决定对象的生命周期。后来另4个对象仅持有虚引用,那么 它就和那么 任何引用一样,在任何后来都后来被垃圾回收。

  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另4个区别在于:虚引用需用和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃 圾回收器准备回收另4个对象时,后来发现它还有虚引用,就会在回收对象的内存后来,把这一虚引用加入到与之关联的引用队列中。守护程序能够通过判断引用队列中是 否后来加入了虚引用,来了解被引用的对象与否将要被垃圾回收。守护程序后来发现某个虚引用后来被加入到引用队列,那么 就能够在所引用的对象的内存被回收后来采 取必要的行动。

  实际上,虚引用的get,老是返回null。

  java.lang.ref这一包(不为什么么是java.lang.ref.SoftReference)似乎把开发者从繁琐的以及容易出问题报告 的内存管理中解放了出来:既不担心在内存消耗太久时怎样才能快速地释放内存,而是担心缓存管理不当带来的内存泄漏,事实你造那么 么?让大伙来看另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再次再次出现性能问题报告 ,最终用户使用系统时老是再次再次出现挂起(无响应)。运行环境如下:

  OS:Linux

  里面件:Gerrit2

  JDK:Sun JDK1.8_0_x

  JVM Heap分配:16G/32G

接到这一问题报告 ,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报告 分析。最后定位为JVM Heap频繁的Full GC问题报告 意味着着应用再次再次出现性能故障,参考如下:

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

  而且 有Overhead为60 %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,在故障时间点符近,有非常频繁的Full GC,触发的原后来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。

  性能问题报告 意味着着:JVM Old区满,频繁的Full GC意味着着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

  继续深入分析问题报告 ,大伙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 @ 0x7ff59077b60 8| 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 |10485760

  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 |95846860

  int |tableSize |360

  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 @ 0x7ffbf473ee60 | 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf473b960 | 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 2,488,60 2 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 | 12,60 4

  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 @ 0x7ffbeee8bc60 | 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 | 9,060

  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 | 160 ,335,888

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d36b1360 | 128 | 111,60 6,864

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff741d9c960 | 128 | 92,786,784

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5c56577d0| 128 | 55,945,60 8

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d4cb7ed0| 128 | 31,60 6,712

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5e3ec9c60 | 128 | 26,108,840

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff593a07f60 | 128 | 21,771,144

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5923c060 | 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 | 16,689,60 0

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff677da56e0| 128 | 13,699,60 8

  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2,488,60 另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。

  问题报告 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意味着着性能问题报告 的处在。后来刚开使的时侯,笔者也犯了另4个同样肤浅的错误,建议客户通过增大JVM Heap对问题报告 进行缓解,但最终的结果是:服务器处在问题报告 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组件那么 缓存消耗机制(这类缓存的对象的数量后来缓存总计大小),而WindowCache组件我我觉得有控制缓存文件数量及总计内存大小,而且 最终的结果与实际我时会控制的差距太久,并未如设想那样有效地控制内存消耗。

  既然守护程序是使用java.lang.ref.SoftReference保持对缓存对象的引用,参考而是Sun的说法,后来另4个对象非要软引用可达,在内存欠缺时,是能够被回收的,那关键的问题报告 是JVM的GC怎样才能判定这一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,有另4个全局的变量clock(实际上而是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。 一起去,java.lang.ref.SoftReference对象实例均有另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)。统统,java.lang.ref.SoftReference对象实例的timestamp属性,保持的是这一对象被访问时的最后一次GC的时间戳;

  当GC处在时,以下另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。简单理解而是这一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)。简单地将这一参数理解为另4个常量就好,默认值是60 0;Sun JVM能够通过参数:-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB进行设置;

  东方龙马上述的判断简单地理解而是:后来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:有另4个SoftReference,其属性timestamp值为60 0,最后一次GC clock值为60 00,ms_per_mb值为60 0,而且 空闲空间为1MB,那么 表达式:

  60 00-60 0<=60 0*1

  上述表达式返回值为false(60 0>60 0),而且 ,这一SoftReference所引用的对象,会被GC所回收;

  后来此时大伙有4MB的空闲内存,那么 这一表达式:

  60 00-60 0<=60 0*4

  上述表达式返回值为true(60 0<60 0),而且 ,这一SoftReference所引用的对象,时会被GC所回收;

  需用注意的是,JVM老是保留GC后来访问过的SoftReference引用的对象。为什么么会 会 ?后来GC后来访问过的对象,clock-timestamp老是等于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老是返回true,统统得出上述的结论;

  参考上述的理论,大伙最少能够估算一下当另4个对象仅有SoftReference引用可达时,其最大生命的周期情况:

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:60 0ms(默认值)

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M: 1S

  10M: 10S

  60 M: 60 S

  60 0M 60 0S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:60 ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.1S

  10M 1S

  60 M 10S

  60 0M 60 S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:10ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.01S

  10M 0.1S

  60 M 1S

  60 0M 10S

  60 00M 60 S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:5ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  2M 0.01S

  20M 0.1S

  60 M 1S

  60 0M 10S

  60 00M 60 S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:1ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.001S

  10M 0.01S

  60 M 0.1S

  60 0M 1S

  60 00M 10S

  至此,对于上述案例的故障成因,东方龙马有了另4个更深度次的认识:

  设置较大的JVM Heap时,后来Sun的New Generation与Old Generation比例关系,每一次GC后来,New Generation释放出来的空闲空间的数量,老是使SoftReference引用的对象的生存周期保持在另4个较大的值,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以及内存碎片架构设计 ,使得整个JVM非常卡顿;

  而设置更大的JVM Heap后,使得每一次GC后来,New Generation释放出来的空闲空间的数量更多,从而加剧了这一故障的情况;

  当然,故障的根本成因,是应用守护程序代码并未对缓存进行控制;

  上述案例,在未改动代码及特性的情况下,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,同样有这类参数:-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.

  后来开使语:

  JVM的Reference(java.lang.ref.Reference:Since JDK1.2)并未像其描述的那样美好,不为什么么是java.lang.ref.SoftReference的使用。同样地,即使是使用Reference实现In-Box的缓存,也需用充分考虑其对内存的消耗。而是才使大伙的应用运行得更稳定。

  东方龙马凭借在数据库,里面件领域耕耘20余年,希望大伙的宝贵经验和独到见解能够帮助到你。