MySQL 驱动中虚引用 GC 耗时优化与源码分析

本文要点：

一种优雅解决 MySQL 驱动中虚引用导致 GC 耗时较长问题的解决方法
虚引用的作用与使用场景
MySQL 驱动源码中的虚引用分析

背景

在之前文章中写过 MySQL JDBC 驱动中的虚引用导致 JVM GC 耗时较长的问题(可以看这里)，在驱动代码（mysql-connector-java 5.1.38版本）中 NonRegisteringDriver 类有个虚引用集合 connectionPhantomRefs 用于存储所有的数据库连接，NonRegisteringDriver.trackConnection 方法负责把新创建的连接放入集合，虚引用随着时间积累越来越多，导致 GC 时处理虚引用的耗时较长，影响了服务的吞吐量：

public ConnectionImpl(String hostToConnectTo, int portToConnectTo, Properties info, String databaseToConnectTo, String url) throws SQLException {
 ...
 NonRegisteringDriver.trackConnection(this);
  ...
}

public class NonRegisteringDriver implements Driver {
  ...
  protected static final ConcurrentHashMap<ConnectionPhantomReference, ConnectionPhantomReference> connectionPhantomRefs = new ConcurrentHashMap();
   
  protected static void trackConnection(com.mysql.jdbc.Connection newConn) {
        ConnectionPhantomReference phantomRef = new ConnectionPhantomReference((ConnectionImpl)newConn, refQueue);
        connectionPhantomRefs.put(phantomRef, phantomRef);
    }
  ...
}

尝试减少数据库连接的生成速度，来降低虚引用的数量，但是效果并不理想。最终的解决方案是通过反射获取虚引用集合，利用定时任务来定期清理集合，避免 GC 处理虚引用耗时较长。

// 每两小时清理 connectionPhantomRefs，减少对 mixed GC 的影响
SCHEDULED_EXECUTOR.scheduleAtFixedRate(() -> {
  try {
    Field connectionPhantomRefs = NonRegisteringDriver.class.getDeclaredField("connectionPhantomRefs");
    connectionPhantomRefs.setAccessible(true);
    Map map = (Map) connectionPhantomRefs.get(NonRegisteringDriver.class);
    if (map.size() > 50) {
      map.clear();
    }
  } catch (Exception e) {
    log.error("connectionPhantomRefs clear error!", e);
  }
}, 2, 2, TimeUnit.HOURS);

利用定时任务清理虚引用效果立竿见影，每日几亿请求的服务 mixed GC 耗时只有 10 - 30 毫秒左右，系统也很稳定，线上运行将近一年没有任何问题。

优化——暴力破解到优雅配置

最近又有同事遇到相同的问题，使用的 mysql-connector-java 版本与我们使用的版本一致，查看最新版本（8.0.32）的代码发现对数据库连接的虚引用有新的处理方式，不像老版本（5.1.38）中每一个连接都会生成虚引用，而是可以通过参数来控制是否需要生成。类 AbandonedConnectionCleanupThread 的相关代码如下：

//静态变量通过 System.getProperty 获取配置
private static boolean abandonedConnectionCleanupDisabled = Boolean.getBoolean("com.mysql.cj.disableAbandonedConnectionCleanup");

public static boolean getBoolean(String name) {
      return parseBoolean(System.getProperty(name));
}

protected static void trackConnection(MysqlConnection conn, NetworkResources io) {
    //判断配置的属性值来决定是否需要生成虚引用
      if (!abandonedConnectionCleanupDisabled) {
         ···
          ConnectionFinalizerPhantomReference reference = new ConnectionFinalizerPhantomReference(conn, io, referenceQueue);
          connectionFinalizerPhantomRefs.add(reference);
         ··· 
      }
  }

mysql-connector-java 的维护者应该是注意到了虚引用对 GC 的影响，所以优化了代码，让用户可以自定义虚引用的生成。

有了这个配置，就可以在启动参数上设置属性：

java -jar app.jar -Dcom.mysql.cj.disableAbandonedConnectionCleanup=true

或者在代码里设置属性：

System.setProperty(PropertyDefinitions.SYSP_disableAbandonedConnectionCleanup,"true");

当 com.mysql.cj.disableAbandonedConnectionCleanup=true 时，生成数据库连接时就不会生成虚引用，对 GC 就没有任何影响了。

建议还是使用第一种方式，通过启动参数配置更灵活一点。

什么是虚引用

有些读者看到这里知道 mysql-connector-java 生成的虚引用对 GC 有一些副作用，但是还不太了解虚引用到底是什么，有什么作用，这里我们在虚引用上做一点点拓展。

Java 虚引用（Phantom Reference）是Java中一种特殊的引用类型，它是最弱的一种引用。与其他引用不同，虚引用并不会影响对象的生命周期，也不会影响对象的垃圾回收。虚引用主要用于在对象被回收时收到系统通知，以便在回收时执行一些必要的清理工作。

上述虚引用的定义还是比较难理解，我们用代码来辅助理解：

先来生成一个虚引用：

//虚引用队列
ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
//关联对象
Object o = new Object();
//调用构造方法生成一个虚引用 第一个参数就是关联对象 第二个参数是关联队列
PhantomReference<Object> phantomReference = new PhantomReference<>(o, queue);
//执行垃圾回收
System.gc();
//延时确保回收完毕
Thread.sleep(100L);
//当 Object o 被回收时可以从虚引用队列里获取到与之关联的虚引用 这里就是 phantomReference 这个对象
Reference<?> poll = queue.poll();

虚引用的构造方法需要两个入参，第一个就是关联的对象、第二个是虚引用队列 ReferenceQueue。虚引用需要和 ReferenceQueue 配合使用，当对象 Object o 被垃圾回收时，与 Object o 关联的虚引用就会被放入到 ReferenceQueue 中。通过从 ReferenceQueue 中是否存在虚引用来判断对象是否被回收。

我们再来理解上面对虚引用的定义，虚引用不会影响对象的生命周期，也不会影响对象的垃圾回收。如果上述代码里的phantomReference 是一个普通的对象，那么在执行 System.gc() 时 Object o 一定不会被回收掉，因为普通对象持有 Object o 的强引用，还不会被作为垃圾。这里的 phantomReference 是一个虚引用的话 Object o 就会被直接回收掉。然后会将关联的虚引用放到队列里，这就是虚引用关联对象被回收时会收到系统通知的机制。

一些实践能力很强的读者会复制上述代码去运行，发现垃圾回收之后队列里并没有虚引用。这是因为 Object o 还在栈里，属于是 GC Root 的一种，不会被垃圾回收。我们可以这样改写：

static ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    PhantomReference<Object> phantomReference = buildReference();
    System.gc();Thread.sleep(100);
    System.out.println(queue.poll());
}

public static PhantomReference<Object> buildReference() {
    Object o = new Object();
    return new PhantomReference<>(o, queue);
}

不在 main 方法里实例化关联对象 Object o，而是利用一个 buildReference 方法来实例化，这样在执行垃圾回收的时候，Object o 已经出栈了，不再是 GC Root，会被当做垃圾来回收。这样就能从虚引用队列里取出关联的虚引用进行后续处理。

关联对象真的被回收了吗

执行完垃圾回收之后，我们确实能从虚引用队列里获取到虚引用了，我们可以思考一下，与该虚引用关联的对象真的已经被回收了吗？

使用一个小实验来探索答案：

public static void main(String[] args) {
      ReferenceQueue<byte[]> queue = new ReferenceQueue<>();
      PhantomReference<byte[]> phantomReference = new PhantomReference<>(
              new byte[1024 * 1024 * 2], queue);
      System.gc();Thread.sleep(100L);
      System.out.println(queue.poll());
      byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * 4];
  }

代码里生成一个虚引用，关联对象是一个大小为 2M 的数组，执行垃圾回收之后尝试再实例化一个大小为 4M 的数组。如果我们从虚引用队列里获取到虚引用的时候关联对象已经被回收，那么就能正常申请到 4M 的数组。（设置堆内存大小为 5M -Xmx5m -Xms5m）

执行代码输出如下：

java.lang.ref.PhantomReference@533ddba
Exception in thread "main" java.lang.OutOfMemoryError: Java heap space
 at com.ppphuang.demo.phantomReference.PhantomReferenceDemo.main(PhantomReferenceDemo.java:15)

从输出可以看到，申请 4M 内存的时候内存溢出，那么问题的答案就很明显了，关联对象并没有被真正的回收，内存也没有被释放。

再做一点小小的改造，实例化新数组的之前将虚引用直接置为 null，这样关联对象就能被真正的回收掉，也能申请足够的内存：

public static void main(String[] args) {
      ReferenceQueue<byte[]> queue = new ReferenceQueue<>();
      PhantomReference<byte[]> phantomReference = new PhantomReference<>(
              new byte[1024 * 1024 * 2], queue);
      System.gc();Thread.sleep(100L);
      System.out.println(queue.poll());
    //虚引用直接置为 null
    phantomReference = null;
      byte[] bytes = new byte[1024 * 1024 * 4];
  }

如果我们使用了虚引用，但是没有及时清理虚引用的话可能会导致内存泄露。

虚引用的使用场景——mysql-connector-java 虚引用源码分析

读到这里相信你已经了解了虚引用的一些基本情况，那么它的使用场景在哪里呢？

最典型的场景就是最开始写到的 mysql-connector-java 里处理 MySQL 连接的兜底逻辑。用虚引用来包装 MySQL 连接，如果一个连接对象被回收的时候，会从虚引用队列里收到通知，如果有些连接没有被正确关闭的话，就会在回收之前进行连接关闭的操作。

从 mysql-connector-java 的 AbandonedConnectionCleanupThread 类代码中可以发现并没有使用原生的 PhantomReference 对象，而是使用的是包装过的 ConnectionFinalizerPhantomReference，增加了一个属性 NetworkResources，这是为了方便从虚引用队列中的虚引用上获取到需要处理的资源。包装类中还有一个 finalizeResources 方法，用来关闭网络连接：

private static class ConnectionFinalizerPhantomReference extends PhantomReference<MysqlConnection> {
      //放置需要GC后后置处理的网络资源
      private NetworkResources networkResources;
      ConnectionFinalizerPhantomReference(MysqlConnection conn, NetworkResources networkResources, ReferenceQueue<? super MysqlConnection> refQueue) {
          super(conn, refQueue);
          this.networkResources = networkResources;
      }
      void finalizeResources() {
          if (this.networkResources != null) {
              try {
                  this.networkResources.forceClose();
              } finally {
                  this.networkResources = null;
              }
          }
      }
  }

AbandonedConnectionCleanupThread 实现了 Runnable 接口，在 run 方法里循环读取虚引用队列 referenceQueue 里的虚引用，然后调用 finalizeResource 方法来进行后置的处理，避免连接泄露：

public void run() {
    while(true) {
        try {
           ...
            Reference<? extends MysqlConnection> reference = referenceQueue.remove(5000L);
            if (reference != null) {
               //强转为 ConnectionFinalizerPhantomReference
                finalizeResource((ConnectionFinalizerPhantomReference)reference);
            }
           ...
        }
    }
}

private static void finalizeResource(ConnectionFinalizerPhantomReference reference) {
    try {
       //兜底处理网络资源
        reference.finalizeResources();
        reference.clear();
    } finally {
       //移除虚引用 避免可能造成的内存溢出
        connectionFinalizerPhantomRefs.remove(reference);
    }
}