Java中的Sizeof(二)

在做了所有这些准备之后，下面就是这种图形遍历的标准实现：

<ccid_code>public static IObjectProfileNode profile (Object obj) { final IdentityHashMap visited = new IdentityHashMap (); final ObjectProfileNode root = createProfileTree (obj, visited, CLASS_METADATA_CACHE); finishProfileTree (root); return root; } private static ObjectProfileNode createProfileTree (Object obj, IdentityHashMap visited, Map metadataMap) { final ObjectProfileNode root = new ObjectProfileNode (null, obj, null); final LinkedList queue = new LinkedList (); queue.addFirst (root); visited.put (obj, root); final ClassAccessPrivilegedAction caAction = new ClassAccessPrivilegedAction (); final FieldAccessPrivilegedAction faAction = new FieldAccessPrivilegedAction (); while (! queue.isEmpty ()) { final ObjectProfileNode node = (ObjectProfileNode) queue.removeFirst (); obj = node.m_obj; final Class objClass = obj.getClass (); if (objClass.isArray ()) { final int arrayLength = Array.getLength (obj); final Class componentType = objClass.getComponentType (); // Add shell pseudo-node: final AbstractShellProfileNode shell = new ArrayShellProfileNode (node, objClass, arrayLength); shell.m_size = sizeofArrayShell (arrayLength, componentType); node.m_shell = shell; node.addFieldRef (shell); if (! componentType.isPrimitive ()) { // Traverse each array slot: for (int i = 0; i &lt; arrayLength; ++ i) { final Object ref = Array.get (obj, i); if (ref != null) { ObjectProfileNode child = (ObjectProfileNode) visited.get (ref); if (child != null) ++ child.m_refcount; else { child = new ObjectProfileNode (node, ref, new ArrayIndexLink (node.m_link, i)); node.addFieldRef (child); queue.addLast (child); visited.put (ref, child); } } } } } else // the object is of a non-array type { final ClassMetadata metadata = getClassMetadata (objClass, metadataMap, caAction, faAction); final Field [] fields = metadata.m_refFields; // Add shell pseudo-node: final AbstractShellProfileNode shell = new ObjectShellProfileNode (node, metadata.m_primitiveFieldCount, metadata.m_refFields.length); shell.m_size = metadata.m_shellSize; node.m_shell = shell; node.addFieldRef (shell); // Traverse all non-null ref fields: for (int f = 0, fLimit = fields.length; f &lt; fLimit; ++ f) { final Field field = fields [f]; final Object ref; try // to get the field value: { ref = field.get (obj); } catch (Exception e) { throw new RuntimeException ("cannot get field [" + field.getName () + "] of class [" + field.getDeclaringClass ().getName () + "]: " + e.toString ()); } if (ref != null) { ObjectProfileNode child = (ObjectProfileNode) visited.get (ref); if (child != null) ++ child.m_refcount; else { child = new ObjectProfileNode (node, ref, new ClassFieldLink (field)); node.addFieldRef (child); queue.addLast (child); visited.put (ref, child); } } } } } return root; } private static void finishProfileTree (ObjectProfileNode node) { final LinkedList queue = new LinkedList (); IObjectProfileNode lastFinished = null; while (node != null) { // Note that an unfinished nonshell node has its child count // in m_size and m_children[0] is its shell node: if ((node.m_size == 1) || (lastFinished == node.m_children [1])) { node.finish (); lastFinished = node; } else { queue.addFirst (node); for (int i = 1; i &lt; node.m_size; ++ i) { final IObjectProfileNode child = node.m_children [i]; queue.addFirst (child); } } if (queue.isEmpty ()) return; else node = (ObjectProfileNode) queue.removeFirst (); } }</ccid_code>

该代码是上一篇Java Q&A, "Attack of the Clones."使用的"通过反射克隆"实现的远亲。如前所述，它缓存了反射元数据来提高性能，并且使用了一个标识散列映射来标记访问过的对象。profile()方法从宽度优先遍历中的具有IObjectProfileNode的生成树的原始对象图形开始，以合计和分配所有节点尺寸的快速后序遍历结束。profile()返回一个 IObjectProfileNode，即产生的生成树的根，它的尺寸就是整个图形的尺寸。
当然， profile()的输出只有当我有一个很好的方法扩展它时才有用。为了这个目的，每个IObjectProfileNode 必须支持由节点访问者和节点过滤器一起进行的测试：


<ccid_nobr><table cellspacing="0" bordercolordark="#ffffff" cellpadding="2" width="400" align="center" bordercolorlight="black" border="1"><tbody><tr><td class="code" style="FONT-SIZE: 9pt" bgcolor="#e6e6e6"><pre><ccid_code>interface IObjectProfileNode { interface INodeFilter { boolean accept (IObjectProfileNode node); } // End of nested interface interface INodeVisitor { /** * Pre-order visit. */ void previsit (IObjectProfileNode node); /** * Post-order visit. */ void postvisit (IObjectProfileNode node); } // End of nested interface boolean traverse (INodeFilter filter, INodeVisitor visitor); ... } // End of interface</ccid_code></pre></td></tr></tbody></table></ccid_nobr>

节点访问者只有当伴随的过滤器为null或者过滤器接收该节点时才对树节点进行操作。为了简便，节点的子节点只有当节点本身已经测试时才进行测试。前序遍历和后序遍历访问都支持。来自java.lang.Object处理程序的尺寸提供以及所有初级数据都集中放在一个伪码内，这个伪码附属于代表对象实例的每个"真实"节点。这种处理程序节点可通过IObjectProfileNode.shell()访问，也可在IObjectProfileNode.children()列表中显示出来：目的就是能够编写数据过滤器和访问者，使它们可在实例化的数据类型的同一起点上考虑初级数据。
如何实现过滤器和访问者就是你的事了。作为一个起点，类ObjectProfileFilters (见本文的download)提供几种有用的堆栈过滤器，它们可帮助你在节点尺寸、与父节点的尺寸相关的节点尺寸、与根对象相关的节点尺寸等等的基础上剪除大对象树。
ObjectProfilerVisitors类包含IObjectProfileNode.dump()使用的默认访问者，也包含能够为更高级的对象浏览创建XML转储的访问者。将配置文件转换为SwingTreeModel也是很容易的。
为了便于理解，我们创建了一个上文提及的两个字符串排列对象的完整转储：


<ccid_nobr><table cellspacing="0" bordercolordark="#ffffff" cellpadding="2" width="400" align="center" bordercolorlight="black" border="1"><tbody><tr><td class="code" style="FONT-SIZE: 9pt" bgcolor="#e6e6e6"><pre><ccid_code>public class Main { public static void main (String [] args) { Object obj = new String [] {new String ("JavaWorld"), new String ("JavaWorld")}; IObjectProfileNode profile = ObjectProfiler.profile (obj); System.out.println ("obj size = " + profile.size () + " bytes"); System.out.println (profile.dump ()); } } // End of class</ccid_code></pre></td></tr></tbody></table></ccid_nobr>

该代码结果如下：


<ccid_nobr><table cellspacing="0" bordercolordark="#ffffff" cellpadding="2" width="400" align="center" bordercolorlight="black" border="1"><tbody><tr><td class="code" style="FONT-SIZE: 9pt" bgcolor="#e6e6e6"><pre><ccid_code>obj size = 106 bytes 106 -&gt; &lt;INPUT&gt; : String[] 58 (54.7%) -&gt; &lt;INPUT&gt;[0] : String 34 (32.1%) -&gt; String#value : char[], refcount=2 34 (32.1%) -&gt; &lt;shell: char[], length=9&gt; 24 (22.6%) -&gt; &lt;shell: 3 prim/1 ref fields&gt; 24 (22.6%) -&gt; &lt;shell: String[], length=2&gt; 24 (22.6%) -&gt; &lt;INPUT&gt;[1] : String 24 (22.6%) -&gt; &lt;shell: 3 prim/1 ref fields&gt;</ccid_code></pre></td></tr></tbody></table></ccid_nobr>

实际上，如前所述，内部的字符排列(被java.lang.String#value访问) 可被两个字符串共享。即使ObjectProfiler.profile()将该排列的从属关系指向第一个发现的字符串，它还是通知说，该排列共享（如它的下一句代码refcount=2所示）。


简单的sizeof()
ObjectProfiler.profile()创建了一个节点图形，它的尺寸一般来说是原始对象图形的几倍。如果你只需要根对象尺寸，你可以使用更快更有效的方法ObjectProfiler.sizeof()，它可通过非递归的深度优先遍历来实现。


更多范例
我们将profile()和sizeof()函数应用到一对范例中。
JavaString是声名狼藉的存储浪费者，因为它们太普遍了，而且普通字符串的使用模式的效率相当低。我相信你明白，普通的字符串串联操作器通常产生不紧凑的String。下列代码:
String obj = "Java" + new String ("World");
产生以下配置文件：


<ccid_nobr><table cellspacing="0" bordercolordark="#ffffff" cellpadding="2" width="400" align="center" bordercolorlight="black" border="1"><tbody><tr><td class="code" style="FONT-SIZE: 9pt" bgcolor="#e6e6e6"><pre><ccid_code>obj size = 80 bytes 80 -&gt; &lt;INPUT&gt; : String 56 (70%) -&gt; String#value : char[] 56 (70%) -&gt; &lt;shell: char[], length=20&gt; 24 (30%) -&gt; &lt;shell: 3 prim/1 ref fields&gt;</ccid_code></pre></td></tr></tbody></table></ccid_nobr>

值字符排列拥有２０个char，尽管它只需要9个。将它与"Java".concat ("World") or String obj = new String ("Java" + new String ("World"))的结果对比：


<ccid_nobr><table cellspacing="0" bordercolordark="#ffffff" cellpadding="2" width="400" align="center" bordercolorlight="black" border="1"><tbody><tr><td class="code" style="FONT-SIZE: 9pt" bgcolor="#e6e6e6"><pre><ccid_code>obj = new String ("Java" + new String ("World"))的结果对比： obj size = 58 bytes 58 -&gt; &lt;INPUT&gt; : String 34 (58.6%) -&gt; String#value : char[] 34 (58.6%) -&gt; &lt;shell: char[], length=9&gt; 24 (41.4%) -&gt; &lt;shell: 3 prim/1 ref fields&gt;</ccid_code></pre></td></tr></tbody></table></ccid_nobr>

很明显，如果你分配通过串联操作器或者StringBuffer.toString()函数构造的字符串属性给许多对象（这两种情况实际上是非常相关的），并且如果你改为使用concat()或者String 复制构造器的话，你就能改善内存消耗。
为了更加深入的讨论这个问题，我给出了一个稍微深奥的例子，下面这个访问者/过滤器检查对象，并报告其里面所有不紧凑的String：


<ccid_nobr><table cellspacing="0" bordercolordark="#ffffff" cellpadding="2" width="400" align="center" bordercolorlight="black" border="1"><tbody><tr><td class="code" style="FONT-SIZE: 9pt" bgcolor="#e6e6e6"><pre><ccid_code>class StringInspector implements IObjectProfileNode.INodeFilter, IObjectProfileNode.INodeVisitor { public boolean accept (IObjectProfileNode node) { m_node = null; final Object obj = node.object (); if ((obj != null) &amp;&amp; (node.parent () != null)) { final Object parentobj = node.parent ().object (); if ((obj.getClass () == char [].class) &amp;&amp; (parentobj.getClass () == String.class)) { int wasted = ((char []) obj).length - ((String) parentobj).length (); if (wasted &gt; 0) { m_node = node.parent (); m_wasted += m_nodeWasted = wasted; } } } return true; } public void previsit (IObjectProfileNode node) { if (m_node != null) System.out.println (ObjectProfiler.pathName (m_node.path ()) + ": " + m_nodeWasted + " bytes wasted"); } public void postvisit (IObjectProfileNode node) { // Do nothing } int wasted () { return 2 * m_wasted; } private IObjectProfileNode m_node; private int m_nodeWasted, m_wasted; }; // End of local class IObjectProfileNode profile = ObjectProfiler.profile (obj); StringInspector si = new StringInspector (); profile.traverse (si, si); System.out.println ("wasted " + si.wasted () + " bytes (out of " + profile.size () + ")");</ccid_code></pre></td></tr></tbody></table></ccid_nobr>

为了使用sizeof()，我们看看LinkedList() vs ArrayList()。该代码繁殖了拥有1000个空引用的列表：


<ccid_nobr><table cellspacing="0" bordercolordark="#ffffff" cellpadding="2" width="400" align="center" bordercolorlight="black" border="1"><tbody><tr><td class="code" style="FONT-SIZE: 9pt" bgcolor="#e6e6e6"><pre><ccid_code>List obj = new LinkedList (); // or ArrayList for (int i = 0; i &lt; 1000; ++ i) obj.add (null); IObjectProfileNode profile = ObjectProfiler.profile (obj); System.out.println ("obj size = " + profile.size () + " bytes");</ccid_code></pre></td></tr></tbody></table></ccid_nobr>

产生的结构的尺寸就是列表实现的存储总和。对于LinkedList 和ArrayList收集实现， sizeof()分别报告20,040和4,112 字节。即使ArrayList在它的尺寸之前增长了内部容量（这样任何时候都会损失几乎50%的容量；这样做是为了分期偿还插入常量的费用），它的基于排列的设计的内存效率远远高于LinkedList()双链接的列表实现，这种列表实现创建了20字节的节点来存储每个值（这并不是说你不应该使用LinkedList：他们保证了未偿还的常量插入的性能，在其他事物之中的这种性能。）


限制
ObjectProfiler的方法并不完美。除了我们前面解释过的忽略存储队列这个问题之外，另一个严重问题就是Java对象可以共享非静态的数据，例如，当实域指向全局singleton和其他共享内容时，这些内容就可以共享。
以DecimalFormat.getPercentInstance()为例。尽管他每次返回一个新的NumberFormat ，但是所有这些NumberFormat通常都共享Locale.getDefault() singleton。所以，即使 sizeof(DecimalFormat.getPercentInstance())每次都报告1,111 字节，他还是估计过高。 这实际上只是定义Java对象的尺寸测量过程中的另外一个概念难点的表现而已。在这种情况下，ObjectProfiler.sizedelta(Object base, Object obj) 很容易得到：该方法遍历根于base 的对象图形，然后在第一次遍历的过程中使用访问过的对象配置obj。因此结果可作为看起来好像不属于base的obj拥有的数据的总尺寸而得到有效地计算。换句话说，实例化给定的obj所需的内存量就等于base现有的内存量(共享对象已经有效的删除)。
sizedelta(DecimalFormat.getPercentInstance()、 DecimalFormat.getPercentInstance())报告：每个子序列格式实例化需要741个字节，对比Java Tip 130的类Sizeof测量的更加精确的752个字节的值来，出现了少数字节的偏离，但是比原来的 sizeof()估测要好的多。
ObjectProfiler不能看到的另外一种类型的数据就是本地存储分配。java.nio.ByteBuffer.allocate(1000) 的结果是JVM 堆分配的1050个字节的结构，但是ByteBuffer.allocateDirect(1000)看起来只有140 个字节；这是因为真正的存储是在本地存储中分配的。这时你需要放弃纯Java，转为使用基于JVM分析器接口（JVMPI ）的分析器。
同一个问题的另外一个相当含糊的例子就是：在测量Throwable. ObjectProfiler.sizeof(new Throwable())例子的过程中只报告20个字节，这与Java Tip 130的类Sizeof报告的272个字节的结果大相径庭。究其原因，是因为在Throwable中有一个隐藏域：
private transient Object backtrace;
JVM采用一种特殊的方式来处理这个隐藏域：他不显示在反射的调用中，即使它的定义在JDK源文件中看得到。很明显，JVM利用对象的这个属性来存储支持堆栈回溯的一些250个字节的本地数据。
最后，如果分析对象的过程中用到了java.lang.ref.* 引用，产生的结果就会让人迷惑 (例如，结果可能会在同一对象的复制的sizeof() 调用之间变动)。这是因为弱引用在应用程序中创建了多余的并行，并且遍历这种图形的绝对事实可能修改了弱引用的可到达性状态。而且，公然的进入java.lang.ref.Reference 内部结构，ObjectProfiler 的这种行事方式并不是纯Java代码应该做的事。增强遍历代码，以避开所有非强引用对象（它也不是很确定这种到根对象的数据属性是否在第一位置），这可能是最好的选择。


总结
本文深入讨论了如何建立一个纯粹的Java对象分析器。我的经验是：通过简单的方法如ObjectProfiler.profile()来分析大型的数据结构，可以轻而易举地节省百分之几十甚至百分之百的内存消耗。这种方法是商业分析器的补充，商业分析器也是旨在演示JVM堆内部发生的非常浅的（不基于图形的）视图。如果没有其他事，看一看对象图形内部也是大有裨益的。

关于作者

Vladimir Roubtsov从1995年以来具有了14年的使用各种语言编程的经验，包括Java在内。目前，作为一个资深工程师，他为德克萨斯州的Austin的Trilogy 开发企业软件。