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MySQL 驱动中虚引用 GC 耗时优化与源码分析原创

1年前
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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);
  }
}, 22, 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);
    }
}

如果你希望在某些对象被回收的时候做一些后置工作,可以参考 mysql-connector-java 中的一些实现逻辑。

总结

本文简述了一种优雅解决 MySQL 驱动中虚引用导致 GC 耗时较长问题的解决方法、也根据自己的理解讲述了虚引用的作用、结合 MySQL 驱动的源码描述了虚引用的使用场景,希望对你能有所帮助。

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