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

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  在JVM内部管理实现缓存容器,东方龙马认为最麻烦的事情是要对缓存大小进行控制。为什么么原先说?当.我都.我都缓存的是只是值对象(ValueObject)时,原先难点是计算只是些对象(及对象引用的大小)。JVM的API并这麼赋予.我都.我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,你还还都可以通过ObjectOutputStream又将会自定义的法子将对象转加在二进制数据[bytes],从而做到精确控制缓存占用的内存,因此带来的原先问題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)的冒出 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。将会原先对象具有强引用,那就这一于必不可少的生活用品,垃圾回收器绝不让回收它。当内存空 间严重不足,Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误,使守护程序异常终止,只是会靠随意回收具有强引用的对象来除理内存严重不足问題。

  强引用的例子:法子局部变量、JNI变量、类变量,概括起来,只是所有GC Root引用可达的都不 强引用;

  2.软引用(SoftReference)

  将会原先对象只具有软引用,那就这一于可有可无的生活用品。将会内存空间足够,垃圾回收器就不让回收它,将会内存空间严重不足了,就会回收哪此对象的内存。假如垃圾回收器这麼回收它,该对象就还还都可以被守护程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

  软引用还还都可以和原先引用队列(ReferenceQueue)联合使用,将会软引用所引用的对象被垃圾回收,Java虚拟机就会把只是软引用加入到与之关联的引用队列中。

  3.弱引用(WeakReference)

  将会原先对象只具有弱引用,那就这一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是否是,都不 回收它的内存。不过,将会垃圾回收器是原先优先级很低的守护程序, 因此不都不 更快发现哪此只具有弱引用的对象。

  弱引用还还都可以和原先引用队列(ReferenceQueue)联合使用,将会弱引用所引用的对象被垃圾回收,Java虚拟机就会把只是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,只是形同虚设,与只是几种引用都不 同,虚引用难能可贵会决定对象的生命周期。将会原先对象仅持有虚引用,这麼它就和这麼任何引用一样,在任何前一天都将会被垃圾回收。

  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原先区别在于:虚引用不能 和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。当垃 圾回收器准备回收原先对象时,将会发现它还有虚引用,就会在回收对象的内存前一天,把只是虚引用加入到与之关联的引用队列中。守护程序还还都可以通过判断引用队列中是 否将会加入了虚引用,来了解被引用的对象是否是将要被垃圾回收。守护程序将会发现某个虚引用将会被加入到引用队列,这麼就还还都可以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,一个劲返回null。

  java.lang.ref只是包(有点硬是java.lang.ref.SoftReference)似乎把开发者从繁琐的以及容易出问題的内存管理中解放了出来:既不担心在内存消耗过多时要怎样快速地释放内存,只是担心缓存管理不当带来的内存泄漏,事实岂都不 这麼么?你还还都可以们.我都来看原先实际的案例。

  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冒出 性能问題,最终用户使用系统时一个劲冒出 挂起(无响应)。运行环境如下:

  OS:Linux

  上边件:Gerrit2

  JDK:Sun JDK1.8_0_x

  JVM Heap分配:16G/32G

接到只是问題,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題分析。最后定位为JVM Heap频繁的Full GC问題因为 应用冒出 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;

  因此有Overhead为1150%的GC情形;

  分析GC Completed以及Overhead情形,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,触发的原将会JVM Old区满,因此每次Full GC后,Old区能释放出来的空闲空间相当少;因此整个JVM总计的空闲Heap仍然有1GB以上的空间。

  性能问題因为 :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

  继续深入分析问題,.我都.我都发现了内存中居于的大对象:

  Class Name | Shallow Heap | Retained Heap

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.WindowCache @ 0x7ff59077b1508| 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 |104857150

  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 |958468150

  int |tableSize |3150

  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 @ 0x7ffbf473ee150| 48 | 8,264

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.ByteArrayWindow @ 0x7ffbf473b9150| 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 2,488,1502 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 | 12,1504

  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 @ 0x7ffbeee8bc150| 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 | 9,0150

  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 | 1150,335,888

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d36b13150| 128 | 111,1506,864

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff741d9c9150| 128 | 92,786,784

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5c56577d0| 128 | 55,945,1508

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5d4cb7ed0| 128 | 31,1506,712

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5e3ec9c150| 128 | 26,108,840

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff593a07f150| 128 | 21,771,144

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff5923c01150| 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 | 16,689,1500

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

  org.eclipse.jgit.internal.storage.file.PackFile @ 0x7ff677da56e0| 128 | 13,699,1508

  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2,488,150原先,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。

  问題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,因此触发了频繁的Full GC因为 性能问題的居于。结束了了的时侯,笔者也犯了原先同样肤浅的错误,建议客户通过增大JVM Heap对问題进行缓解,但最终的结果是:服务器居于问題的频率比设置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。因此,RepositoryCache组件这麼缓存消耗机制(这一缓存的对象的数量将会缓存总计大小),而WindowCache组件难能可贵有控制缓存文件数量及总计内存大小,因此最终的结果与实际让你控制的差距过多,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,参考原先Sun的说法,将会原先对象还还都可以能 软引用可达,在内存严重不足时,是还还都可以被回收的,那关键的问題是JVM的GC要怎样判定只是SoftReference引用的对象啥时候被回收?

  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,有原先全局的变量clock(实际上只是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居于时,该值均会被重新设置。 并肩,java.lang.ref.SoftReference对象实例均有原先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)。只是,java.lang.ref.SoftReference对象实例的timestamp属性,保持的是只是对象被访问时的最后一次GC的时间戳;

  当GC居于时,以下原先因素影响SoftReference引用的对象是否是被回收:

  1、SoftReference 对象实例的timestamp有多旧;

  2、内存空闲空间的大小;

  是否是保留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。简单理解只是只是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)。简单地将只是参数理解为原先常量就好,默认值是11150;Sun JVM还还都可以通过参数:-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB进行设置;

  东方龙马上述的判断简单地理解只是:将会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;因此,则将其清除;

  举例:有原先SoftReference,其属性timestamp值为1150,最后一次GC clock值为11500,ms_per_mb值为11150,因此空闲空间为1MB,这麼表达式:

  11500-1150<=11150*1

  上述表达式返回值为false(1150>11150),因此,只是SoftReference所引用的对象,会被GC所回收;

  将会此时.我都.我都有4MB的空闲内存,这麼只是表达式:

  11500-1150<=11150*4

  上述表达式返回值为true(1150<1500),因此,只是SoftReference所引用的对象,不让被GC所回收;

  不能 注意的是,JVM一个劲保留GC前一天访问过的SoftReference引用的对象。为什么么?将会GC前一天访问过的对象,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,只是得出上述的结论;

  参考上述的理论,.我都.我都大概还还都可以估算一下当原先对象仅有SoftReference引用可达时,其最大生命的周期情形:

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:11150ms(默认值)

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M: 1S

  10M: 10S

  1150M: 1150S

  11150M 11150S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:1150ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.1S

  10M 1S

  1150M 10S

  11150M 1150S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:10ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.01S

  10M 0.1S

  1150M 1S

  11150M 10S

  111500M 1150S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:5ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  2M 0.01S

  20M 0.1S

  150M 1S

  1150M 10S

  11500M 1150S

  SoftRefLRUPolicyMSPerMB:1ms

  空闲空间 清理间隔(生存周期上限)

  1M 0.001S

  10M 0.01S

  1150M 0.1S

  11150M 1S

  111500M 10S

  至此,对于上述案例的故障成因,东方龙马有了原先更淬硬层 次的认识:

  设置较大的JVM Heap时,将会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,一个劲使SoftReference引用的对象的生存周期保持在原先较大的值,换言而之,其淘汰的传输波特率较慢。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,从而加剧了只是故障的情形;

  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,在未改动代码及底部形态的情形下,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,同样有这一参数:-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.

  结束了了语:

  JVM的Reference(java.lang.ref.Reference:Since JDK1.2)并未像其描述的那样美好,有点硬是java.lang.ref.SoftReference的使用。同样地,即使是使用Reference实现In-Box的缓存,只是需要 充分考虑其对内存的消耗。原先才使.我都.我都的应用运行得更稳定。

  东方龙马凭借在数据库,上边件领域耕耘20余年,希望.我都.我都的宝贵经验和独到见解还还都可以帮助到你。