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JVM源码分析之FinalReference完全解读

| 作者 李嘉鹏 关注 8 他的粉丝 发布于 2015年7月10日. 估计阅读时间: 25 分钟 | Google、Facebook、Pinterest、阿里、腾讯 等顶尖技术团队的上百个可供参考的架构实例!

概述

Java对象引用体系除了强引用之外,出于对性能、可扩展性等方面考虑还特地实现了4种其他引用:SoftReferenceWeakReferencePhantomReferenceFinalReference,本文主要想讲的是FinalReference,因为当使用内存分析工具,比如zprofiler、mat等,分析一些oom的heap时,经常能看到 java.lang.ref.Finalizer占用的内存大小远远排在前面,而这个类占用的内存大小又和我们这次的主角FinalReference有着密不可分的关系。

FinalReference及关联的内容可能给我们留下如下印象:

  • 自己代码里从没有使用过;
  • 线程dump之后,会看到一个叫做Finalizer的Java线程;
  • 偶尔能注意到java.lang.ref.Finalizer的存在;
  • 在类里可能会写finalize方法。

FinalReference到底存在的意义是什么,以怎样的形式和我们的代码相关联呢?这是本文要理清的问题。

JDK中的FinalReference

首先我们看看FinalReference在JDK里的实现:

class FinalReference<T> extends Reference<T> {

    public FinalReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {
        super(referent, q);
    }

}

大家应该注意到了类访问权限是package的,这也就意味着我们不能直接去对其进行扩展,但是JDK里对此类进行了扩展实现java.lang.ref.Finalizer,这个类在概述里提到的过,而此类的访问权限也是package的,并且是final的,意味着它不能再被扩展了,接下来的重点我们围绕java.lang.ref.Finalizer展开。(PS:后续讲的Finalizer其实也是在说FinalReference。)

final class Finalizer extends FinalReference { /* Package-private; must be in
                                                  same package as the Reference
                                                  class */

    /* A native method that invokes an arbitrary object's finalize method is
       required since the finalize method is protected
     */
    static native void invokeFinalizeMethod(Object o) throws Throwable;

    private static ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
    private static Finalizer unfinalized = null;
    private static final Object lock = new Object();

    private Finalizer
        next = null,
        prev = null;

    private Finalizer(Object finalizee) {
        super(finalizee, queue);
        add();
    }

    /* Invoked by VM */
    static void register(Object finalizee) {
        new Finalizer(finalizee);
    }  

    private void add() {
        synchronized (lock) {
            if (unfinalized != null) {
                this.next = unfinalized;
                unfinalized.prev = this;
            }
            unfinalized = this;
        }
    }

    ...

   }    

Finalizer的构造函数

Finalizer的构造函数提供了以下几个关键信息:

  • private:意味着我们无法在当前类之外构建这类的对象;
  • finalizee参数:FinalReference指向的对象引用;
  • 调用add方法:将当前对象插入到Finalizer对象链里,链里的对象和Finalizer类静态关联。言外之意是在这个链里的对象都无法被GC掉,除非将这种引用关系剥离(因为Finalizer类无法被unload)。

虽然外面无法创建Finalizer对象,但是它有一个名为register的静态方法,该方法可以创建这种对象,同时将这个对象加入到Finalizer对象链里,这个方法是被vm调用的,那么问题来了,vm在什么情况下会调用这个方法呢?

Finalizer对象何时被注册到Finalizer对象链里

类的修饰有很多,比如final,abstract,public等,如果某个类用final修饰,我们就说这个类是final类,上面列的都是语法层面我们可以显式指定的,在JVM里其实还会给类标记一些其他符号,比如finalizer,表示这个类是一个finalizer类(为了和java.lang.ref.Fianlizer类区分,下文在提到的finalizer类时会简称为f类),GC在处理这种类的对象时要做一些特殊的处理,如在这个对象被回收之前会调用它的finalize方法。

如何判断一个类是不是一个f类

在讲这个问题之前,我们先来看下java.lang.Object里的一个方法

    protected void finalize() throws Throwable { }

Object类里定义了一个名为finalize的空方法,这意味着Java里的所有类都会继承这个方法,甚至可以覆写该方法,并且根据方法覆写原则,如果子类覆盖此方法,方法访问权限至少protected级别的,这样其子类就算没有覆写此方法也会继承此方法。

而判断当前类是否是f类的标准并不仅仅是当前类是否含有一个参数为空,返回值为void的finalize方法,还要求finalize方法必须非空,因此Object类虽然含有一个finalize方法,但它并不是f类,Object的对象在被GC回收时其实并不会调用它的finalize方法。

需要注意的是,类在加载过程中其实就已经被标记为是否为f类了。(JVM在类加载的时候会遍历当前类的所有方法,包括父类的方法,只要有一个参数为空且返回void的非空finalize方法就认为这个类是f类。)

f类的对象何时传到Finalizer.register方法

对象的创建其实是被拆分成多个步骤的,比如A a=new A(2)这样一条语句对应的字节码如下:

0: new           #1                  // class A
3: dup
4: iconst_2
5: invokespecial #11                 // Method "<init>":(I)V

先执行new分配好对象空间,然后再执行invokespecial调用构造函数,JVM里其实可以让用户在这两个时机中选择一个,将当前对象传递给Finalizer.register方法来注册到Finalizer对象链里,这个选择取决于是否设置了RegisterFinalizersAtInit这个vm参数,默认值为true,也就是在构造函数返回之前调用Finalizer.register方法,如果通过-XX:-RegisterFinalizersAtInit关闭了该参数,那将在对象空间分配好之后将这个对象注册进去。

另外需要提醒的是,当我们通过clone的方式复制一个对象时,如果当前类是一个f类,那么在clone完成时将调用Finalizer.register方法进行注册。

hotspot如何实现f类对象在构造函数执行完毕后调用Finalizer.register

这个实现比较有意思,在这简单提一下,我们知道执行一个构造函数时,会去调用父类的构造函数,主要是为了初始化继承自父类的属性,那么任何一个对象的初始化最终都会调用到Object的空构造函数里(任何空的构造函数其实并不空,会含有三条字节码指令,如下代码所示),为了不对所有类的构造函数都埋点调用Finalizer.register方法,hotspot的实现是,在初始化Object类时将构造函数里的return指令替换为_return_register_finalizer指令,该指令并不是标准的字节码指令,是hotspot扩展的指令,这样在处理该指令时调用Finalizer.register方法,以很小的侵入性代价完美地解决了这个问题。

0: aload_0
1: invokespecial #21                 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return

f类对象的GC回收

FinalizerThread线程

Finalizer类的clinit方法(静态块)里,我们看到它会创建一个FinalizerThread守护线程,这个线程的优先级并不是最高的,意味着在CPU很紧张的情况下其被调度的优先级可能会受到影响

  private static class FinalizerThread extends Thread {
        private volatile boolean running;
        FinalizerThread(ThreadGroup g) {
            super(g, "Finalizer");
        }
        public void run() {
            if (running)
                return;
            running = true;
            for (;;) {
                try {
                    Finalizer f = (Finalizer)queue.remove();
                    f.runFinalizer();
                } catch (InterruptedException x) {
                    continue;
                }
            }
        }
    }

    static {
        ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
        for (ThreadGroup tgn = tg;
             tgn != null;
             tg = tgn, tgn = tg.getParent());
        Thread finalizer = new FinalizerThread(tg);
        finalizer.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY - 2);
        finalizer.setDaemon(true);
        finalizer.start();
    }

这个线程用来从queue里获取Finalizer对象,然后执行该对象的runFinalizer方法,该方法会将Finalizer对象从Finalizer对象链里剥离出来,这样意味着下次GC发生时就可以将其关联的f对象回收了,最后将这个Finalizer对象关联的f对象传给一个native方法invokeFinalizeMethod

private void runFinalizer() {
        synchronized (this) {
            if (hasBeenFinalized()) return;
            remove();
        }
        try {
            Object finalizee = this.get();
            if (finalizee != null && !(finalizee instanceof java.lang.Enum)) {
                invokeFinalizeMethod(finalizee);
                /* Clear stack slot containing this variable, to decrease
                   the chances of false retention with a conservative GC */
                finalizee = null;
            }
        } catch (Throwable x) { }
        super.clear();
    }

 static native void invokeFinalizeMethod(Object o) throws Throwable;

其实invokeFinalizeMethod方法就是调了这个f对象的finalize方法,看到这里大家应该恍然大悟了,整个过程都串起来了。

JNIEXPORT void JNICALL
Java_java_lang_ref_Finalizer_invokeFinalizeMethod(JNIEnv *env, jclass clazz,
                                                  jobject ob)
{
    jclass cls;
    jmethodID mid;

    cls = (*env)->GetObjectClass(env, ob);
    if (cls == NULL) return;
    mid = (*env)->GetMethodID(env, cls, "finalize", "()V");
    if (mid == NULL) return;
    (*env)->CallVoidMethod(env, ob, mid);
}

f对象的finalize方法抛出异常会导致FinalizeThread退出吗

不知道大家有没有想过如果f对象的finalize方法抛了一个没捕获的异常,这个FinalizerThread会不会退出呢,细心的读者看上面的代码其实就可以找到答案,runFinalizer方法里对Throwable的异常进行了捕获,因此不可能出现FinalizerThread因异常未捕获而退出的情况。

f对象的finalize方法会执行多次吗

如果我们在f对象的finalize方法里重新将当前对象赋值,变成可达对象,当这个f对象再次变成不可达时还会执行finalize方法吗?答案是否定的,因为在执行完第一次finalize方法后,这个f对象已经和之前的Finalizer对象剥离了,也就是下次GC的时候不会再发现Finalizer对象指向该f对象了,自然也就不会调用这个f对象的finalize方法了。

Finalizer对象何时被放到ReferenceQueue里

除了这里接下来要介绍的环节之外,整个过程大家应该都比较清楚了。

当GC发生时,GC算法会判断f类对象是不是只被Finalizer类引用(f类对象被Finalizer对象引用,然后放到Finalizer对象链里),如果这个类仅仅被Finalizer对象引用,说明这个对象在不久的将来会被回收,现在可以执行它的finalize方法了,于是会将这个Finalizer对象放到Finalizer类的ReferenceQueue里,但是这个f类对象其实并没有被回收,因为Finalizer这个类还对它们保持引用,在GC完成之前,JVM会调用ReferenceQueue中lock对象的notify方法(当ReferenceQueue为空时,FinalizerThread线程会调用ReferenceQueue的lock对象的wait方法直到被JVM唤醒),此时就会执行上面FinalizeThread线程里看到的其他逻辑了。

Finalizer导致的内存泄露

这里举一个简单的例子,我们使用挺广的Socket通信,SocksSocketImpl的父类其实就实现了finalize方法:

/**
 * Cleans up if the user forgets to close it.
 */
protected void finalize() throws IOException {
    close();
}

其实这么做的主要目的是万一用户忘记关闭Socket,那么在这个对象被回收时能主动关闭Socket来释放一些系统资源,但是如果用户真的忘记关闭,那这些socket对象可能因为FinalizeThread迟迟没有执行这些socket对象的finalize方法,而导致内存泄露,这种问题我们碰到过多次,因此对于这类情况除了大家好好注意貌似没有什么更好的方法了,该做的事真不能省.

Finalizer的客观评价

上面的过程基本对Finalizer的实现细节进行了完整剖析,Java里我们看到有构造函数,但是并没有看到析构函数一说,Finalizer其实是实现了析构函数的概念,我们在对象被回收前可以执行一些“收拾性”的逻辑,应该说是一个特殊场景的补充,但是这种概念的实现给f对象生命周期以及GC等带来了一些影响:

  • f对象因为Finalizer的引用而变成了一个临时的强引用,即使没有其他的强引用,还是无法立即被回收;
  • f对象至少经历两次GC才能被回收,因为只有在FinalizerThread执行完了f对象的finalize方法的情况下才有可能被下次GC回收,而有可能期间已经经历过多次GC了,但是一直还没执行f对象的finalize方法;
  • CPU资源比较稀缺的情况下FinalizerThread线程有可能因为优先级比较低而延迟执行f对象的finalize方法;
  • 因为f对象的finalize方法迟迟没有执行,有可能会导致大部分f对象进入到old分代,此时容易引发old分代的GC,甚至Full GC,GC暂停时间明显变长;
  • f对象的finalize方法被调用后,这个对象其实还并没有被回收,虽然可能在不久的将来会被回收。

作者简介

李嘉鹏花名寒泉子,使用「你假笨」的ID混迹网络,蚂蚁金服高级研发工程师。本科毕业四年多,一直待在支付宝,先后从事过监控系统、框架容器以及性能分析系统等研发工作,其中从事框架容器三年多,主要负责开发支付宝的统一编程框架sofa,2014年下半年开始重点从事性能分析系统的研发工作并于年底加入JVM团队。


感谢丁晓昀对本文的审校。

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