得心应手应对 OOM 的疑难杂症

堆(heap)是一个巨大的对象池。在这个对象池中管理着数量巨大的对象实例

而池中对象的引用层次,有的是很深的。一个被频繁调用的接口,每秒生成对象的速度,也是非常可观的。对象之间的关系,形成了一张巨大的网。虽然 Java 一直在营造一种无限内存的氛围,但对象不能只增不减,所以需要垃圾回收

JVM 是如何判断哪些对象应该被回收?哪些应该被保持呢?

在古代,刑罚中有诛九族一说。指的是有些人犯大事时,皇上杀一人不足以平复内心的愤怒时,会对亲朋好友产生连带责任。诛九族时首先需要追溯到一个共同的祖先,再往下细数连坐。堆上的垃圾回收也有同样的思路。我们接下来就具体分析 JVM 中是如何进行垃圾回收的。

JVM 的 GC 动作,是不受程序控制的,它会在满足条件的时候,自动触发。

在发生 GC 的时候,一个对象,JVM 总能够找到引用它的祖先。找到最后,如果发现这个祖先已经名存实亡了,它们都会被清理掉。而能够躲过垃圾回收的那些祖先,比较特殊,它们的名字就叫作 GC Roots。

从 GC Roots 向下追溯、搜索,会产生一个叫作 Reference Chain 的链条。当一个对象不能和任何一个 GC Root 产生关系时,就会被无情的诛杀掉。

如图所示,Obj5、Obj6、Obj7,由于不能和 GC Root 产生关联,发生 GC 时,就会被摧毁。

得心应手应对 OOM 的疑难杂症

垃圾回收就是围绕着 GC Roots 去做的。同时,它也是很多内存泄露的根源,因为其他引用根本没有这样的权利。

那么,什么样的对象,才会是 GC Root 呢?这不在于它是什么样的对象,而在于它所处的位置。

GC Roots 有哪些

GC Roots 是一组必须活跃的引用。用通俗的话来说,就是程序接下来通过直接引用或者间接引用,能够访问到的潜在被使用的对象。

GC Roots 包括:

  • Java 线程中,当前所有正在被调用的方法的引用类型参数、局部变量、临时值等。也就是与我们栈帧相关的各种引用。
  • 所有当前被加载的 Java 类。
  • Java 类的引用类型静态变量。
  • 运行时常量池里的引用类型常量(String 或 Class 类型)。
  • JVM 内部数据结构的一些引用,比如 sun.jvm.hotspot.memory.Universe 类。
  • 用于同步的监控对象,比如调用了对象的 wait() 方法。
  • JNI handles,包括 global handles 和 local handles。

这些 GC Roots 大体可以分为三大类,下面这种说法更加好记一些:

  • 活动线程相关的各种引用。
  • 类的静态变量的引用。
  • JNI 引用。

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有两个注意点:

  • 我们这里说的是活跃的引用,而不是对象,对象是不能作为 GC Roots 的。
  • GC 过程是找出所有活对象,并把其余空间认定为“无用”;而不是找出所有死掉的对象,并回收它们占用的空间。所以,哪怕 JVM 的堆非常的大,基于 tracing 的 GC 方式,回收速度也会非常快。

引用级别

能够找到 Reference Chain 的对象,就一定会存活么?

对象对于另外一个对象的引用,要看关系牢靠不牢靠,可能在链条的其中一环,就断掉了。

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根据发生 GC 时,这条链条的表现,可以对这个引用关系进行更加细致的划分。

它们的关系,可以分为强引用、软引用、弱引用、虚引用等。

强引用 Strong references

当内存空间不足,系统撑不住了,JVM 就会抛出 OutOfMemoryError 错误。即使程序会异常终止,这种对象也不会被回收。这种引用属于最普通最强硬的一种存在,只有在和 GC Roots 断绝关系时,才会被消灭掉。

这种引用,你每天的编码都在用。例如:new 一个普通的对象。

Object obj = new Object()

这种方式可能是有问题的。假如你的系统被大量用户(User)访问,你需要记录这个 User 访问的时间。可惜的是,User 对象里并没有这个字段,所以我们决定将这些信息额外开辟一个空间进行存放。

static Map<User,Long> userVisitMap = new HashMap<>();

userVisitMap.put(user, time);

当你用完了 User 对象,其实你是期望它被回收掉的。但是,由于它被 userVisitMap 引用,我们没有其他手段 remove 掉它。这个时候,就发生了内存泄漏(memory leak)。

这种情况还通常发生在一个没有设定上限的 Cache 系统,由于设置了不正确的引用方式,加上不正确的容量,很容易造成 OOM。

软引用 Soft references

软引用用于维护一些可有可无的对象。在内存足够的时候,软引用对象不会被回收,只有在内存不足时,系统则会回收软引用对象,如果回收了软引用对象之后仍然没有足够的内存,才会抛出内存溢出异常。

可以看到,这种特性非常适合用在缓存技术上。比如网页缓存图片缓存等。

Guava 的 CacheBuilder,就提供了软引用和弱引用的设置方式。在这种场景中,软引用比强引用安全的多。

软引用可以和一个引用队列(ReferenceQueue)联合使用,如果软引用所引用的对象被垃圾回收,Java 虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

我们可以看一下它的代码。软引用需要显式的声明,使用泛型来实现。

// 伪代码

Object object = new Object();

SoftReference<Object> softRef = new SoftReference(object);

这里有一个相关的 JVM 参数。它的意思是:每 MB 堆空闲空间中 SoftReference 的存活时间。这个值的默认时间是1秒(1000)。

-XX:SoftRefLRUPolicyMSPerMB=<N>

这里要特别说明的是,网络上一些流传的优化方法,即把这个值设置成 0,其实是错误的,这样容易引发故障,感兴趣的话你可以自行搜索一下。

这种比较偏门的优化手段,除非在你对其原理相当了解的情况下,才能设置一些比较特殊的值。比如 0 值,无限大等,这种值在 JVM 的设置中,最好不要发生。

弱引用 Weak references

弱引用对象相比较软引用,要更加无用一些,它拥有更短的生命周期。

当 JVM 进行垃圾回收时,无论内存是否充足,都会回收被弱引用关联的对象。弱引用拥有更短的生命周期,在 Java 中,用 java.lang.ref.WeakReference 类来表示。

它的应用场景和软引用类似,可以在一些对内存更加敏感的系统里采用。它的使用方式类似于这段的代码:

// 伪代码

Object object = new Object();

WeakReference<Object> softRef = new WeakReference(object);

虚引用 Phantom References

这是一种形同虚设的引用,在现实场景中用的不是很多。虚引用必须和引用队列(ReferenceQueue)联合使用。如果一个对象仅持有虚引用,那么它就和没有任何引用一样,在任何时候都可能被垃圾回收。

实际上,虚引用的 get,总是返回 null。

Object  object = new Object();

ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();

// 虚引用,必须与一个引用队列关联

PhantomReference pr = new PhantomReference(object, queue);

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。

当垃圾回收器准备回收一个对象时,如果发现它还有虚引用,就会在回收对象之前,把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。

程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队列,那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

下面的方法,就是一个用于监控 GC 发生的例子。

private static void startMonitoring(ReferenceQueue<MyObject> referenceQueue, Reference<MyObject> ref) {

ExecutorService ex = Executors.newSingleThreadExecutor();

ex.execute(() -> {

while (referenceQueue.poll()!=ref) {

//don’t hang forever

if(finishFlag){

break;

}

}

System.out.println("– ref gc’ed –");

});

ex.shutdown();

}

基于虚引用,有一个更加优雅的实现方式,那就是 Java 9 以后新加入的 Cleaner,用来替代 Object 类的 finalizer 方法。

典型 OOM 场景

OOM 的全称是 Out Of Memory,那我们的内存区域有哪些会发生 OOM 呢?我们可以从内存区域划分图上,看一下彩色部分。

得心应手应对 OOM 的疑难杂症

可以看到除了程序计数器,其他区域都有OOM溢出的可能。但是最常见的还是发生在堆上。

得心应手应对 OOM 的疑难杂症

所以 OOM 到底是什么引起的呢?有几个原因:

  • 内存的容量太小了,需要扩容,或者需要调整堆的空间。
  • 错误的引用方式,发生了内存泄漏。没有及时的切断与 GC Roots 的关系。比如线程池里的线程,在复用的情况下忘记清理 ThreadLocal 的内容。
  • 接口没有进行范围校验,外部传参超出范围。比如数据库查询时的每页条数等。
  • 对堆外内存无限制的使用。这种情况一旦发生更加严重,会造成操作系统内存耗尽。

典型的内存泄漏场景,原因在于对象没有及时的释放自己的引用。比如一个局部变量,被外部的静态集合引用。

得心应手应对 OOM 的疑难杂症

你在平常写代码时,一定要注意这种情况,千万不要为了方便把对象到处引用。即使引用了,也要在合适时机进行手动清理。

小结

你可以注意到 GC Roots 的专业叫法,就是可达性分析法。另外,还有一种叫作引用计数法的方式,在判断对象的存活问题上,经常被提及。

因为有循环依赖的硬伤,现在主流的 JVM,没有一个是采用引用计数法来实现 GC 的,所以我们大体了解一下就可以。引用计数法是在对象头里维护一个 counter 计数器,被引用一次数量 +1,引用失效记数 -1。计数器为 0 时,就被认为无效。你现在可以忘掉引用计数的方式了。

HostSpot 采用 tracing 的方式进行 GC,内存回收的速度与处于 living 状态的对象数量有关。

接下来,我们了解到四种不同强度的引用类型,尤其是软引用和虚引用,在平常工作中使用还是比较多的。这里面最不常用的就是虚引用,但是它引申出来的 Cleaner 类,是用来替代 finalizer 方法的,这是一个比较重要的知识点。

原文 

https://segmentfault.com/a/1190000023179072

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