JAVA 垃圾回收机制GC

一个优秀的Java 程序员必须了解的GC 机制

一个优秀的Java 程序员必须了解GC 的
工作原理、如何优化GC 的性能、如何与GC 进
行有限的交互，有一些应用程序对性能要求较高，例如嵌入式系统、实时系统等，只有全面提升内存的管理效率，才能提高整个应用程序的性能。本文将从GC 的工作原理、GC 的几个关键问题进行
探讨，最后提出一些Java 程序设计建议，如何从GC 角度提高Java 程序的性能。 

    GC 的基本原理 
   
    GC 是什么? 为什么要有GC 呢? 
    GC 是垃圾收集的意思（Garbage Collection）,内存处理是编程人员容易出现问题的地方，忘记或者错误的内存回收会导致程序或系统的不稳定甚至崩溃，Java 提供的GC 功能可以自动监测对象是
否超过作用域从而达到自动回收内存的目的，Java 语言没有提供释放已分配内存的显示操作方 法。 

    所以，Java 的内存管理实际上就是对象的管理，其中包括对象的分配和释
放。 

    对于程序员来说，分配对象使用new关键字；释放对象时，只要将对象所有引用赋值为null，让程序不能够再访问到这个对象，我们称该对象为"不可达 的".GC 将负责回收所有"不可达"对象的内存空间。 

    对于GC 来说，当程序员创建对象时，GC 就开始监控这个对象的地址、大小以及使用情况。通常，GC 采
用有向图的方式记录和管理堆（heap）中的所有对象。通过这种方式确定哪些对象是"可达的"，哪些对象是"不可达的".当GC 确定一些对象为"不可达"时，GC 就有
责任回收这些内存空间。但是，为了保证 GC 能够在不同平台实现的问题，Java 规范对GC 的很多行为都没有进行严
格的规定。例如，对于采用什么类型的回收算法、什么时候进行回收等重要问题都没有明确的规定。因此，不同的JVM的实现者往往有不同的实现算法。这也给Java 程序员的开发带来行多不确定性。本文研究了几个与GC 工
作相关的问题，努力减少这种不确定性给Java 程序带来的负面影响。 

    增量式GC （ Incremental GC ） 

    GC 在JVM中通常是由一个或一组进程来实现的，它本身也和用户程序一样占用heap空间，运行时也占用CPU.当GC 进程运行时，应用程序停止运行。因此，当GC 运
行时间较长时，用户能够感到Java 程序的停顿，另外一方面，如果GC 运行时间太短，则可能对象回收率太低，这意味着还有很多应该回收的对象没有被回收，仍然占用大量内
存。因此，在设计GC 的时候，就必须在停顿时间和回收率之间进行权衡。一个好的GC 实现允许用户定义自己所需要的设置，例如有些内存有限有设备，对内存的使用量非常敏感，希望GC 能够准确的回收内存，它并不在意程序速度的放慢。另外一些实时网络游戏，就不能够允许程序有长时间
的中断。增量式GC 就是通过一定的回收算法，把一个长时间的中断，划分为很多个小的中断，通 过这种方式减少GC 对用户程序的影响。虽然，增量式GC在整体性能上可能不如普通GC 的效率
高，但是它能够减少程序的最长停顿时间。 

    Sun JDK提供的HotSpot JVM就能支持增量式GC .HotSpot
JVM缺省GC 方式为不使用增量GC ， 为了启动增量GC ，我们必须在运行Java 程 序时增加-Xincgc 的参数。 HotSpot
JVM增量式GC 的实现是采用Train GC 算法。它的基本想法就是，将堆中的所有对象按照创建和使用情况进行分组（分层），将使用频繁高和具
有相关性的对象放在一队中，随着程序的运行，不断对组进行调整。当GC 运行时，它总是先回收 最老的（最近很少访问的）的对象，如果整组都为可回收对象，GC 将整组回收。这样，每次GC 运行只回收一定比例的不可达对象，保证程序的顺畅运行。 

    详解finalize函数 

    finalize 是位于Object类的一个方法，该方法的访问修饰符为protected，由于所有类为Object的子类，因此用户类很容易访问到这个方法。由 于，finalize函数没有自动实现链式调用，我们必须手动的实现，因此finalize函数的最后一个语句通常是 super.finalize（）。通过这种方式，我们可以实现从下到上实现finalize的调用，即先释放自己的资源，然后再释放父类的资源。 

    根据Java 语言规范，JVM保证调用finalize函数之前，这个对象
是不可达的，但是JVM不保证这个函数一定会被调用。另外，规范还保证finalize函数最多运行一次。 

    很多Java 初学者会认为这个方法类似与C++中的析构函数，将很多对象、
资源的释放都放在这一函数里面。其实，这不是一种很好的方式。原因有三，其一，GC 为了能够 支持finalize函数，要对覆盖这个函数的对象作很多附加的工作。其二，在finalize运行完成之后，该对象可能变成可达的，GC 还要再检查一次该对象是否是可达的。因此，使用
finalize会降低GC 的运行性能。其三，由于GC 调用
finalize的时间是不确定的，因此通过这种方式释放资源也是不确定的。 

    通常，finalize用于一些不容易控制、并且非常重要资源的释放，例如一些I/O的操作，数据的连接。这些资源的释放对整个应用程序是非常关键的。在 这种情况下，程序员应该以通过程序本身管理（包括释放）这些资源为主，以finalize函数释放资源方式为辅，形成一种双保险的管理机制，而不应该仅仅 依靠finalize来释放资源。 

    下面给出一个例子说明，finalize函数被调用以后，仍然可能是可达的，同时也可说明一个对象的finalize只可能运行一次。 

   

[java] view
plaincopy

class MyObject{  

    　　 Test main; //记录Test对象，在finalize中时用于恢复可达性  

    　　 public MyObject(Test t)  

    　　 {  

    　　    main=t; //保存Test 对象  

    　　 }  

    　　 protected void finalize()  

    　　 {  

    　　    main.ref=this;// 恢复本对象，让本对象可达  

    　　    System.out.println("This is finalize");//用于测试finalize只运行一次  

    　　 }  

}   

    　　

[java] view
plaincopy

class Test {  

    　　 MyObject ref;  

    　　 public static void main(String[] args)  

        {  

    　　    Test test=new Test();  

    　　    test.ref=new MyObject(test);  

    　　    test.ref=null; //MyObject对象为不可达对象，finalize将被调用  

    　　    System.gc();  

    　　    if (test.ref!=null) System.out.println("My Object还活着");  

    　　}  

}   

    　　运行结果： 
    This is finalize 

    MyObject还活着：此例子中，需要注意的是虽然MyObject对象在finalize中变成可达对象，但是下次回收时候，finalize却不再 被调用，因为finalize函数最多只调用一次。 

    程序如何与GC 进行交互 

    Java2 增强了内存管理功能，增加了一个java .lang.ref
包，其中定义了三种引用类。这三种引用类分别为SoftReference、 WeakReference和 PhantomReference.通过使用这些引用类，程序员可以在一定程度与GC 进行交
互，以便改善GC 的工作效率。这些引用类的引用强度介于可达对象和不可达对象之间。 

    创建一个引用对象也非常容易，例如如果你需要创建一个Soft Reference对象，那么首先创建一个对象，并采用普通引用方式（可达对象）；然后再创建一个SoftReference引用该对象；最后将普通引用 设置为null.通过这种方式，这个对象就只有一个Soft Reference引用。同时，我们称这个对象为Soft Reference 对象。 

    Soft Reference的主要特点是据有较强的引用功能。只有当内存不够的时候，才进行回收这类内存，因此在内存足够的时候，它们通常不被回收。另外，这些引 用对象还能保证在Java 抛出OutOfMemory
异常之前，被设置为null.它可以用于实现一些常用图片的缓存，实现Cache的功能，保证最大限度的使用内存而不引起OutOfMemory.以下给 出这种引用类型的使用伪代码； 

//申请一个图像对象 
　　Image image=new Image();//创建Image对象 
　　… 
　　//使用 image 
　　… 
　　//使用完了image，将它设置为soft 引用类型，并且释放强引用； 
　　SoftReference sr=new SoftReference(image); 
　　image=null; 
　　 … 
　　 //下次使用时 
　　 if (sr!=null) image=sr.get(); 
　　 else{ 
　　 //由于GC 由于低内存，已释放image，因此需要重新装载； 
　　 image=new Image(); 
　　sr=new SoftReference(image); 
　　} 
    Weak 引用对象与Soft引用对象的最大不同就在于：GC 在进行回收
时，需要通过算法检查是否回收Soft引用对象，而对于Weak引用对象，GC 总是进行回 收。Weak引用对象更容易、更快被GC 回收。虽然，GC 在运行时一定回收Weak对象，但是复杂关系的Weak对象群常常需要好几次 GC 的运行才能完成。Weak引用对象常常用于Map结构中，引用数据量较大的对象，一旦该对象的强引用
为null时，GC 能够快速地回收该对象空间。 

    Phantom 引用的用途较少，主要用于辅助finalize函数的使用。Phantom对象指一些对象，它们执行完了finalize函数，并为不可达对象，但是它们 还没有被GC 回收。这种对象可以辅助finalize进行一些后期的回收工作，我们通过覆盖
Reference的clear（）方法，增强资源回收机制的灵活性。 

    一些Java 编程的建议 

    根据GC 的工作原理，我们可以通过一些技巧和方式，让GC 运行更加有效率，更加符合应用程序的要求。一些关于程序设计的几点建议： 

　　1.最基本的建议就是尽早释放无用对象的引用。大多数程序员在使用临时变量的时候，都是让引用变量在退出活动域（scope）后，自动设置为 null.我们在使用这种方式时候，必须特别注意一些复杂的对象图，例如数组，队列，树，图等，这些对象之间有相互引用关系较为复杂。对于这类对象，GC 回收它们一般效率较低。如果程序允许，尽早将不用的引用对象赋为null.这样可以加速GC 的工作。 

　　2.尽量少用finalize函数。finalize函数是Java 提供给程序
员一个释放对象或资源的机会。但是，它会加大GC 的工作量，因此尽量少采用finalize 方式回收资源。 

　　3.如果需要使用经常使用的图片，可以使用soft应用类型。它可以尽可能将图片保存在内存中，供程序调用，而不引起 OutOfMemory. 

　　4.注意集合数据类型，包括数组，树，图，链表等数据结构，这些数据结构对GC 来
说，回收更为复杂。另外，注意一些全局的变量，以及一些静态变量。这些变量往往容易引起悬挂对象（dangling reference），造成内存浪费。 
　　5.当程序有一定的等待时间，程序员可以手动执行System.gc （），通知GC 运行，但是Java 语言规范并不保证GC 一定会执行。使用增量式GC 可以缩短Java 程序的暂停时间。