Ari Zilka谈Ehcache的进程内堆外缓存BigMemory

Ehcache的BigMemory提供了一个进程内的堆外缓存，用来存储应用相关的大批量数据。Terracotta上周发布了BigMemory模块的GA版本，该模块支持Ehcache企业版。BigMemory是Ehcache标准API的一部分，为cache定义两个新属性（overflowToOffHeap和maxMemoryOffHeap）就可以使用了，代码片段如下所示：

<cache name="sample-offheap-cache"
    maxElementsInMemory="10000"
    eternal="true"
    memoryStoreEvictionPolicy="LRU"
    overflowToOffHeap="true"
    maxMemoryOffHeap="1G"/>

BigMemory在内存存储策略上有别于传统的缓存解决方案。它不把数据存储在Java堆里，从而避免了JVM的GC问题。BigMemory这种特别的存储被称为堆外（Off-Heap）存储。传统的缓存解决方案为了规避这些问题，都将数据分布在缓存节点组成的集群上。BigMemory提供了一种新的架构选择方案，允许应用运行在堆小于1G的JVM上，利用堆外的内存来加快数据访问的速度。

InfoQ有幸采访了Terracotta的CTO Ari Zilka，请他谈了Ehcache框架里的BigMemory新特性、BigMemory有助于应用性能提升的用例场景，以及BigMemory的局限性。

InfoQ：为Ehcache框架添加BigMemory特性的主要动机是什么？

主要动机是为了解决我们在Terracotta服务器里遇到的GC问题。服务器里的GC会引起响应时间和大规模GC事件出现变化，可能会致使（一级缓存L1的）缓存客户端故障转移到备份的Terracotta服务器上去。我们意识到这个解决方案的好处后就立即扩大了它的应用范围，包括为独立Ehcache追加一个内存存储，这个内存存储后来就发展成了BigMemory——Ehcache企业版的一个插件。

InfoQ：BigMemory堆外存储提供的方式能避免Java GC的复杂性，你能谈一谈实现的具体细节么？

BigMemory把缓存对象存储在Java堆之外，但仍然在操作系统的Java进程里。所以它仍然是个进程内的缓存，具备所有与此相关的高性能，但它不使用堆，这样就可以给应用配置很小的堆空间，从而避免GC问题。BigMemory使用了JDK 1.4引入的DirectByteBuffers。所有的Java实现都可以运行BigMemory，所以任何人都可以使用BigMemory，而不用更换JDK。

操作系统内存管理器的功能差不多就要完成了。届时我们会在放入数据时分配内存、移除数据时释放内存，我们能做这些事情是因为BigMemory是个缓存，而不是一般用途的Java程序。DirectByteBuffers分配内存很慢，但用起来非常快。所以我们会在启动的时候就从操作系统获取所有需要的内存。

BigMemory的关键之处在于，怎样判断某个对象不再被使用、关联的内存被释放了，这也是很多人一开始最难理解的地方。对缓存来说，这其实非常简单。Map主要涉及put、get和remove操作。我们在放入数据的时候分配内存（malloc），移除数据的时候释放内存（free）。我们实现了一个内存管理器，它使用的是很好理解的计算机科学算法，还有我们专门为此实现的增强。

在被问及BigMemory什么情况下能提升应用性能时（从只读、经常读、读写操作来说），Ari回答说，在“90%读/10%写”的常见情况和“50%读/50%写”的写操作过多的情况下，他们都见过比较好的性能结果。这是因为缓存是进程内的。只读操作会受到分布式缓存的影响。读取活跃数据集要比读取其它数据快很多，那些不活跃的数据必须通过网络获取。

InfoQ：BigMemory解决方案有什么局限性？

鉴于BigMemory是纯Java的、进程内的，而且和常见的JVM、容器兼容，所以它没有明显的局限性。我们找到的最大的内存盒有384GB内存，我们在上面测试的结果显示，在BigMemory始终有350GB内存的空闲情况下，性能都是线性的，没有明显的增长。

我们要向用户强调的限制只有一个，那就是使用堆外存储的话，放置在BigMemory中的对象必须进行序列化。对通常就存储在缓存里的那些数据来说，这并不是什么问题。

一旦对象被序列化，在返回Java堆的时候必需反序列化才可以使用。这确实是一笔性能开销。因此在没有GC的时候，BigMemory会比堆内存储慢。但BigMemory还是要比底层可用的存储快很多，不论是本地磁盘、网络存储，还是RDBMS等原本记录数据的系统。

还应指出的是，序列化/反序列化的性能开销远没有很多用户想象的那么大。BigMemory已经针对字节缓冲区做了优化，本身也包含一些优化机制，可以对使用标准Java序列化的对象进行优化。举例来说，测试版发布之后添加的那些优化机制能使复杂Java对象的性能提升两倍，使byte数组的性能提升四倍。Terracotta Server Array正是用byte数组存储数据的。用自定义的序列化则能进一步减少性能开销。

InfoQ问Ari，架构师和开发人员在应用中使用BigMemory时应该注意哪些最佳实践和问题。Ari回答说，任何成功的商业应用都要处理伸缩性问题。缓存是最稳妥、最容易实现的解决方案之一。现在比较新颖的是，不用非得引入缓存集群了。

最好的做法就是用新眼光来审视一下你的性能架构，看你能否从大型的进程内缓存获益。BigMemory可以让架构师对服务器和进程密度进行优化，以满足特定的需求，而不用受制于Java的局限性。

最大的问题则是大多数人已经针对Java本身的局限性做了优化。比如说，大多数Ehcache用户会运行32位的JVM。根据OS的不同，32位Java的地址空间会是2到4GB不等。所以这些用户在用Java时就放弃了使用很多内存。应用目前可能都运行在RAM很小的硬件上。所以用户要是想使用BigMemory来运行100GB的进程内缓存，可能就意味着要更换新的硬件，即便现在硬件很便宜。

InfoQ：Ehcache框架以后的路线图是怎样的？BigMemory有什么特殊的么？

我们正在开发Ehcache和Terracotta的下一个版本（代码以澳大利亚弗里曼特尔的别称Freo命名），计划本月发布测试版。我们计划在这个版本中添加一系列功能特性和性能增强。比如Ehcache Search，它能让Ehcache用户在缓存里进行搜索，就像使用数据库一样。Ehcache Search已经发布了测试版，文档也已经全部可用了。

至于BigMemory，我们还在继续提升性能，同时会增加一系列比较实用的增强，例如提供更多的工具，帮助人们更好地理解最适合他们用例的设置。

查看英文原文：Ari Zilka on Ehcache BigMemory

译者 王丽娟 王丽娟，04年大学毕业后持续从事Java EE中间件产品的开发，现在主要关注Java技术及中间件产品在云计算环境中的发展趋势和应用。