JVM源码分析之自定义类加载器如何拉长YGC

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：

demo程序如下：

执行效果如下

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：

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。

测试代码如下：

gc日志如下：

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和定义类加载器。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：

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。

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：

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：

然后重新编译，跑我们的demo，测试结果如下：

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。

推荐阅读：

据说99.99%的人都会答错的类加载的问题