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:SoftReference
、WeakReference
、PhantomReference
、FinalReference
,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。
那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:
<span><span>class</span> <span>FinalReference</span><<span>T</span>> <span><span>extends</span></span> <span>Reference</span><<span>T</span>> {</span> <span>public</span> FinalReference(T referent, ReferenceQueue<? <span>super</span> T> q) { <span>super</span>(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
。)
<span>final</span> <span><span>class</span> <span>Finalizer</span> <span><span>extends</span></span> <span>FinalReference</span> {</span> <span>static</span> native <span>void</span> invokeFinalizeMethod(Object o) throws Throwable; <span>private</span> <span>static</span> ReferenceQueue queue = <span>new</span> ReferenceQueue(); <span>private</span> <span>static</span> Finalizer unfinalized = <span>null</span>; <span>private</span> <span>static</span> <span>final</span> Object lock = <span>new</span> Object(); <span>private</span> Finalizer next = <span>null</span>, prev = <span>null</span>; <span>private</span> Finalizer(Object finalizee) { <span>super</span>(finalizee, queue); add(); } <span>static</span> <span>void</span> register(Object finalizee) { <span>new</span> Finalizer(finalizee); } <span>private</span> <span>void</span> add() { synchronized (lock) { <span>if</span> (unfinalized != <span>null</span>) { <span>this</span>.next = unfinalized; unfinalized.prev = <span>this</span>; } unfinalized = <span>this</span>; } } ... }
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
<span>protected</span> <span>void</span> <span>finalize</span>() <span>throws</span> Throwable { }
在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:
<span>0</span>: <span>new #1 // class A</span> <span>3</span>: <span>dup</span> <span>4</span>: <span>iconst_2</span> <span>5</span>: <span>invokespecial #11 // Method "<init>":(I)V</span>
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。
<span>0</span>: <span>aload_0</span> <span>1</span>: <span>invokespecial #21 // Method java/lang/Object."<init>":()V</span> <span>4</span>: <span>return</span>
f 类对象的 GC 回收
FinalizerThread 线程
在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
<span>private</span> <span>static</span> <span><span>class</span> <span>FinalizerThread</span> <span>extends</span> <span>Thread</span> {</span> <span>private</span> <span>volatile</span> <span>boolean</span> running; FinalizerThread(ThreadGroup g) { <span>super</span>(g, <span>"Finalizer"</span>); } <span>public</span> <span>void</span> <span>run</span>() { <span>if</span> (running) <span>return</span>; running = <span>true</span>; <span>for</span> (;;) { <span>try</span> { Finalizer f = (Finalizer)queue.remove(); f.runFinalizer(); } <span>catch</span> (InterruptedException x) { <span>continue</span>; } } } } <span>static</span> { ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup(); <span>for</span> (ThreadGroup tgn = tg; tgn != <span>null</span>; tg = tgn, tgn = tg.getParent()); Thread finalizer = <span>new</span> FinalizerThread(tg); finalizer.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY - <span>2</span>); finalizer.setDaemon(<span>true</span>); 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
<span>private</span> <span>void</span> <span>runFinalizer</span>() { <span>synchronized</span> (<span>this</span>) { <span>if</span> (hasBeenFinalized()) <span>return</span>; remove(); } <span>try</span> { Object finalizee = <span>this</span>.get(); <span>if</span> (finalizee != <span>null</span> && !(finalizee <span>instanceof</span> java.lang.Enum)) { invokeFinalizeMethod(finalizee); finalizee = <span>null</span>; } } <span>catch</span> (Throwable x) { } <span>super</span>.clear(); } <span>static</span> <span>native</span> <span>void</span> invokeFinalizeMethod(Object o) <span>throws</span> 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 <span>void</span> JNICALL Java_java_lang_ref_Finalizer_invokeFinalizeMethod(JNIEnv *env, jclass clazz, jobject ob) { jclass cls; jmethodID mid; <span><span>cls</span> = <span>(*env)</span>-></span>GetObjectClass(env, ob); <span>if</span> (cls == NULL) <span>return</span>; <span><span>mid</span> = <span>(*env)</span>-></span>GetMethodID(env, cls, <span>"finalize"</span>, <span>"()V"</span>); <span>if</span> (mid == NULL) <span>return</span>; <span><span>(*env)</span>-></span>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:
<span>/** * Cleans up if the user forgets to close it. */</span> <span>protected</span> <span>void</span> <span>finalize</span>() <span>throws</span> 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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