毕昇JDK 8 Dynamic CDS 特性介绍

1 背景

JDK 5 中引入的 Class-Data Sharing (CDS) 技术允许将一组类预处理为共享存档文件，然后可以在运行时进行内存映射以减少启动时间。当多个 JVM 共享同一个归档文件时，它还可以减少内存占用。

在 OpenJDK 社区，CDS 技术发展有两个演进方向：

1. 扩大archive的类的范围：CDS -> AppCDS -> Dynamic CDS。
2. 扩大archive的数据种类：metadata（CDS、AppCDS、Dynamic AppCDS) -> 基本类对象 -> strings -> module -> Support for pre-generated java.lang.invoke classes in CDS archive。

Dynamic CDS特性（JEP 350: Dynamic CDS Archives^[1]^）主要功能：

• 继续增加类共享的范围，提升共享类技术的收益
• 简化使用 AppCDS 时 dump classlist 的操作，直接在程序退出时 dump 内存中的类到 JSA 文件。

毕昇JDK 8 中实现的 Dynamic CDS 特性相比之前的 AppCDS ，增加了 Custom ClassLoader 的支持，扩展了共享类的支持范围；且该JDK版本带有基本类的 base JSA 文件，可以消除 dump classlist 的步骤，提高该特性的易用性。经测试，在使用此特性的情况下 SpringBoot 启动时间具有显著提升。

注：JEP 350 中 Dynamic CDS 增加支持的类（lambda、匿名类），毕昇JDK 8 暂时没有实现。

2 特性介绍

• Java 应用程序使用base JSA运行，在程序执行结束时对类进行动态归档生成top JSA，top JSA将包含base JSA以外所有可以共享的类(包含Custom ClassLoader加载的类)，共享类范围的扩大提供了更短的启动时间，而且Dynamic CDS对于额外共享的类采用重定位（relocate）到一个更加紧凑的内存空间以减少空间的浪费。

  base JSA： 使用CDS/AppCDS生成的类共享文件，当不指定其路径时，默认为：$JAVA_HOME/jre/lib//server/classes.jsa。
  top JSA： 使用Dynamic CDS生成的类共享文件。

  注：类数据区分为读写、只读，分别放置在RW、RO区。

• 此特性可以使用default JSA（JDK包中自带的基本类的JSA文件）作为base JSA，因此可以简化CDS特性使用步骤，生成top JSA后，运行程序时则同时将base JSA、top JSA映射到内存中以加速启动和节省内存。

• 此特性为保证Customer ClassLoader加载类的正确性，与AppClassLoader、ExtClassLoader在FindLoadedClass时直接由classLoader来查找共享类不同，其在DefineClass中的基本校验完毕后查询共享类。

3 使用说明

3.1 相关参数说明

3.2 使用步骤

分为两个步骤：

1. 将可共享类的元数据（MetaData）dump 进文件；
2. 使用该文件执行 Java 程序。

下面以 HelloWorld 程序为例简单说明 Dynamic CDS 的用法。

预置条件：Java 程序 HelloWorld.class。

下面是每个步骤的命令行，相关参数说明请参见 JVM 参数说明。

步骤一：生成 top JSA（依赖 base JSA ），实验特性开关需要使能

java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -Xshare:on -XX:ArchiveClassesAtExit=top.jsa -XX:+InfoDynamicCDS HelloWorld

• 如果因为某些参数改变，导致 JDK 包中带的 default JSA 无法使用，请重新用 CDS/AppCDS 生成 base JSA。
• 非正常结束的进程，比如 kill -9 杀死进程，则无法生成 JSA，则需要通过 jcmd <pid> GC.dynamic_cds_dump 命令在进程结束之前生成。
• 可省略 -XX:SharedArchiveFile 参数，此时默认使用 -XX:SharedArchiveFile=$JAVA_HOME/jre/lib/<platform>/server/classes.jsa 文件。
• 因为生成 JSA 过程中会修改运行时数据，无法保证运行时正确，因此 dump top JSA 结束后直接退出进程。

步骤二：使用 top JSA 运行 Java 程序

java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -Xshare:on -XX:ArchiveClassesAtExit=top.jsa -XX:+InfoDynamicCDS HelloWorld

top JSA 中记录了 base JSA 的路径，可以在参数中只指明 top JSA 。如果 base JSA 路径在 top JSA 生成之后发生了改变，需要同时指明 base、top JSA 的路径：

java -Xshare:on -XX:SharedArchiveFile=base.jsa:top.jsa -XX:+InfoDynamicCDS HelloWorld

3.3 使用限制

1. 生成、使用JSA两阶段参数和环境PAGE_SIZE必须一致

   • restore阶段使用参数 -XX:ObjectAlignmentInBytes=32、16 时，运行时会报错，信息如下：

     Error occurred during initialization of VM
     Unable to use shared archive.
     An error has occurred while processing the shared archive file.
     The shared archive file's ObjectAlignmentInBytes of 8 does not equal the current ObjectAlignmentInBytes of 32.
     

     错误原因： 因为生成 base JSA 时，ObjectAlignmentInBytes 默认为8，读取时不支持指定其他对齐参数。

     解决方法： 重新使用 CDS/AppCDS 生成 base JSA 使用，生成时参数加入使用时对应的 -XX:ObjectAlignmentInBytes 的值即可。

   • 当dump时的系统环境变量pagesize小于使用时的pagesize，运行时会报错，信息如下：

     An error has occurred while processing the shared archive file.
     Unable to map ReadOnly shared space at required address.
     Error occurred during initialization of VM
     Unable to use shared archive.
     

     错误原因： page_size 影响 JSA 文件中的数据对齐，系统无法为JSA文件恢复分配内存。

     解决方法： 重新使用 CDS/AppCDS 在当前环境生成 JSA 使用即可。

2. 不支持关闭压缩指针

   使用 CDS（restore）阶段使用参数 -XX:-UseCompressedOops 或 -XX:-UseCompressedClassPointers 时，运行时会报错，信息如下：

   Error occurred during initialization of VM
   Unable to use shared archive.: UseCompressedOops and UseCompressedClassPointers must be on for UseSharedSpaces.
   Class data sharing is inconsistent with other specified options.
   

   错误原因： 目前 CDS 只支持压缩指针场景。

   解决方法： 使用时应当开启压缩指针开关，后续会支持压缩指针关闭场景。

3. 最大堆地址值需小于32G（当使用默认参数 -XX:ObjectAlignmentInBytes=8）

   使用 CDS（restore）阶段使用参数 和 （值 ）的组合，运行时会报错，信息如下：

   An error has occurred while processing the shared archive file.
   Unable to reserve shared space at required address 0x0000000800000000
   Error occurred during initialization of VM
   Unable to use shared archive.
   

   错误原因： JSA 文件的映射地址的堆区间，不能被参数所指定的JVM 其他组件占用。

   解决方法： 将此组合值 改为小于 32 可正常运行。

4. Dynamic CDS 不支持的共享类

   • Java version1.5 以及之前的类不支持共享。
   • JVM anonymous class 不支持共享。
   • 如果基类不支持共享，则该类也不支持共享。

5. Dynamic CDS 不支持 JFR

   JFR组件启动过程会通过 asm 动态创建匿名类（anonymous class），与 Dynamic CDS 冲突。

4 性能测试

SpringBoot场景测试结果：

测试说明：

经测试，使能 Dynamic CDS 特性相比于默认参数 java -jar spring-petclinic-2.5.0-SNAPSHOT.jar 启动效率会提升14.3％。

5 特性演进

后续毕昇JDK8 CDS特性将支持压缩指针关闭场景。

参考

1. https://openjdk.java.net/jeps/350