每日一博 | MySQL 驱动中虚引用 GC 耗时优化与源码分析

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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); } }, 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——由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(300L); //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。