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JVM源码分析之自定义类加载器如何拉长YGC

你假笨
jvm
ygc
5天前

概述

本文重点讲述毕玄大师在其公众号上发的一个GC问题一个jstack/jmap等不能用的case,对于毕大师那篇文章,题目上没有提到GC的那个问题,不过进入到文章里可以看到,既然文章提到了jstack/jmap的问题,这里也简单回答下jstack/jmap无法使用的问题,其实最常见的场景是使用jstack/jmap的用户和目标进程不是同一个用户,哪怕你执行jstack/jmap的动作是root用户也无济于事,不过毕大师这里主要提到的是jmap -heap/histo这两个参数带来的问题,如果使用-heap/histo的参数,其实和大家使用-F参数是一样的,底层都是通过serviceability agent来实现的,并不是jvm attach的方式,通过sa连上去之后会挂起进程,在serviceability agent里存在bug可能导致detach的动作不会被执行,从而会让进程一直挂着,可以通过top命令验证进程是否处于T状态,如果是说明进程被挂起了,如果进程被挂起了,可以通过kill -CONT [pid]来恢复。

再回到那个GC的问题,用的参数如下:

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demo程序如下:

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执行效果如下

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发现gc的时间越来越长,但是gc触发的时机以及回收的效果都差不多,那问题究竟在哪里呢?

Demo分析

虽然这个demo代码逻辑很简单,但是其实这是一个特殊的demo,并不简单,如果我们将XStream对象换成Object对象,会发现不存在这个问题,既然如此那有必要进去看看这个XStream的构造函数:
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这个构造函数还是很复杂的,里面会创建很多的对象,上面还有一些方法实现我就不贴了,总之都是在不断构建各种大大小小的对象,一个XStream对象构建出来的时候大概好像有 12M 的样子。

那到底是哪些对象会导致 ygc 不断增长呢,于是可能想到逐步替换上面这些逻辑,比如将最后一个构造函数里的那些逻辑都禁掉,然后我们再跑测试看看还会不会让ygc不断恶化,最终我们会发现,如果我们直接使用如下构造函数构造对象时,如果传入的classloader是AppClassLoader,那会发现这个问题不再出现了。

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测试代码如下:

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gc日志如下:

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是不是觉得很神奇,由此可见,这个classloader至关重要。

不得不说的类加载器

这里着重要说的两个概念是初始类加载器定义类加载器。举个栗子说吧,AClassLoader->BClassLoader->CClassLoader,表示AClassLoader在加载类的时候会委托BClassLoader类加载器来加载,BClassLoader加载类的时候会委托CClassLoader来加载,假如我们使用AClassLoader来加载X这个类,而X这个类最终是被CClassLoader来加载的,那么我们称CClassLoader为X类的定义类加载器,而AClassLoader和BClassLoader分别为X类的初始类加载器,JVM在加载某个类的时候对这三种类加载器都会记录,记录的数据结构是一个叫做SystemDictionary的hashtable,其key是根据ClassLoader对象和类名算出来的hash值,而value是真正的由定义类加载器加载的Klass对象,因为初始类加载器和定义类加载器是不同的classloader,因此算出来的hash值也是不同的,因此在SystemDictionary里会有多项值的value都是指向同一个Klass对象。

那么JVM为什么要分这两种类加载器呢,其实主要是为了快速找到已经加载的类,比如我们已经通过AClassLoader来触发了对X类的加载,当我们再次使用AClassLoader这个类加载器来加载X这个类的时候就不需要再委托给BClassLoader去找了,因为加载过的类在JVM里有这个类加载器的直接加载的记录,只需要直接返回对应的Klass对象即可。

Demo中的类加载器是否会加载类

我们的demo里发现构建了一个CompositeClassLoader的类加载器,那到底有没有用这个类加载器加载类呢,我们可以设置一个断点在CompositeClassLoader的loadClass方法上,于是看到下面的堆栈:

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可见确实有类加载的动作,根据类加载委托机制,在这个demo中我们能肯定类是交给AppClassLoader来加载的,这样一来CompositeClassLoader就变成了初始类加载器,而AppClassLoader会是定义类加载器,都会在SystemDictionary里存在,因此当我们不断new XStream的时候会不断new CompositeClassLoader对象,加载类的时候会不断往SystemDictionary里插入记录,从而使SystemDictionary越来越膨胀,那自然而然会想到如果GC过程不断去扫描这个SystemDictionary的话,那随着SystemDictionary不断膨胀,那么GC的效率也就越低,抱着验证下猜想的方式我们可以使用perf工具来看看,如果发现cpu占比排前的函数如果都是操作SystemDictionary的,那就基本验证了我们的说法,下面是perf工具的截图,基本证实了这一点。

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SystemDictionary为什么会影响GC过程

想象一下这么个情况,我们加载了一个类,然后构建了一个对象(这个对象在eden里构建)当一个属性设置到这个类里,如果gc发生的时候,这个对象是不是要被找出来标活才行,那么自然而然我们加载的类肯定是我们一项重要的gc root,这样SystemDictionary就成为了gc过程中的被扫描对象了,事实也是如此,可以看vm的具体代码:

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看上面的SH_PS_SystemDictionary_oops_do task就知道了,这个就是对SystemDictionary进行扫描。

但是这里要说的是虽然有对SystemDictionary进行扫描,但是ygc的过程并不会对SystemDictionary进行处理,如果要对它进行处理需要开启类卸载的vm参数,CMS算法下,CMS GC和Full GC在开启CMSClassUnloadingEnabled的情况下是可能对类做卸载动作的,此时会对SystemDictionary进行清理,所以当我们在跑上面demo的时候,通过jmap-dump:live,format=b,file=heap.bin <pid>命令执行完之后,ygc的时间瞬间降下来了,不过又会慢慢回去,这是因为jmap的这个命令会做一次gc,这个gc过程会对SystemDictionary进行清理。

修改VM代码验证

很遗憾hotspot目前没有对ygc的每个task做一个时间的统计,因此无法直接知道是不是SH_PS_SystemDictionary_oops_do这个task导致了ygc的时间变长,为了证明这个结论,我特地修改了一下代码,在上面的代码上加了一行:

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然后重新编译,跑我们的demo,测试结果如下:

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我们会发现YGC的时间变长的时候,SystemDictionary_OOPS_DO的时间也会相应变长多少,因此验证了我们的说法。

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