Java中GC的工作原理

引子：面試時被問到垃圾回收機制，只是粗略的講'程序員不能直接對內(nèi)存操作，jvm負責(zé)對已經(jīng)超過作用域的對象回收處理'，面官表情呆滯，也就沒再繼續(xù)深入。

轉(zhuǎn)文：

一個優(yōu)秀的Java程序員必須了解GC的工作原理、如何優(yōu)化GC的性能、如何與GC進行有限的交互，有一些應(yīng)用程序?qū)π阅芤筝^高，例如嵌入式系統(tǒng)、實時系統(tǒng)等，只有全面提升內(nèi)存的管理效率，才能提高整個應(yīng)用程序的性能。本文將從GC的工作原理、GC的幾個關(guān)鍵問題進行探討，最后提出一些Java程序設(shè)計建議，如何從GC角度提高Java程序的性能。

一、GC的基本原理：

GC是什么? 為什么要有GC呢?

GC是垃圾收集的意思（Garbage Collection）,內(nèi)存處理是編程人員容易出現(xiàn)問題的地方，忘記或者錯誤的內(nèi)存回收會導(dǎo)致程序或系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至崩潰，Java提供的GC功能可以自動監(jiān)測對象是否超過作用域從而達到自動回收內(nèi)存的目的，Java語言沒有提供釋放已分配內(nèi)存的顯示操作方法。

所以，Java的內(nèi)存管理實際上就是對象的管理，其中包括對象的分配和釋放。

對于Java程序員來說，分配對象使用new關(guān)鍵字；釋放對象時，只要將對象所有引用賦值為null，讓程序不能夠再訪問到這個對象，我們稱該對象為"不可達的".GC將負責(zé)回收所有"不可達"對象的內(nèi)存空間。

對于GC來說，當(dāng)程序員創(chuàng)建對象時，GC就開始監(jiān)控這個對象的地址、大小以及使用情況。通常，GC采用有向圖的方式記錄和管理堆（heap）中的所有對象。通過這種方式確定哪些對象是"可達的"，哪些對象是"不可達的".當(dāng)GC確定一些對象為"不可達"時，GC就有責(zé)任回收這些內(nèi)存空間。但是，為了保證GC能夠在不同平臺實現(xiàn)的問題，Java規(guī)范對GC的很多行為都沒有進行嚴(yán)格的規(guī)定。例如，對于采用什么類型的回收算法、什么時候進行回收等重要問題都沒有明確的規(guī)定。因此，不同的JVM的實現(xiàn)者往往有不同的實現(xiàn)算法。這也給Java程序員的開發(fā)帶來行多不確定性。本文研究了幾個與GC工作相關(guān)的問題，努力減少這種不確定性給Java程序帶來的負面影響。

二、增量式GC(Incremental GC)：

GC在JVM中通常是由一個或一組進程來實現(xiàn)的，它本身也和用戶程序一樣占用heap空間，運行時也占用CPU.當(dāng)GC進程運行時，應(yīng)用程序停止運行。因此，當(dāng)GC運行時間較長時，用戶能夠感到Java程序的停頓，另外一方面，如果GC運行時間太短，則可能對象回收率太低，這意味著還有很多應(yīng)該回收的對象沒有被回收，仍然占用大量內(nèi)存。因此，在設(shè)計GC的時候，就必須在停頓時間和回收率之間進行權(quán)衡。一個好的GC實現(xiàn)允許用戶定義自己所需要的設(shè)置，例如有些內(nèi)存有限有設(shè)備，對內(nèi)存的使用量非常敏感，希望GC能夠準(zhǔn)確的回收內(nèi)存，它并不在意程序速度的放慢。另外一些實時網(wǎng)絡(luò)游戲，就不能夠允許程序有長時間的中斷。增量式GC就是通過一定的回收算法，把一個長時間的中斷，劃分為很多個小的中斷，通過這種方式減少GC對用戶程序的影響。雖然，增量式GC在整體性能上可能不如普通GC的效率高，但是它能夠減少程序的最長停頓時間。

Sun JDK提供的HotSpot JVM就能支持增量式GC.HotSpot JVM缺省GC方式為不使用增量GC，為了啟動增量GC，我們必須在運行Java程序時增加-Xincgc的參數(shù)。HotSpot JVM增量式GC的實現(xiàn)是采用Train GC算法。它的基本想法就是，將堆中的所有對象按照創(chuàng)建和使用情況進行分組（分層），將使用頻繁高和具有相關(guān)性的對象放在一隊中，隨著程序的運行，不斷對組進行調(diào)整。當(dāng)GC運行時，它總是先回收最老的（最近很少訪問的）的對象，如果整組都為可回收對象，GC將整組回收。這樣，每次GC運行只回收一定比例的不可達對象，保證程序的順暢運行。

三、詳解finalize函數(shù)：

finalize 是位于Object類的一個方法，該方法的訪問修飾符為protected，由于所有類為Object的子類，因此用戶類很容易訪問到這個方法。由于，finalize函數(shù)沒有自動實現(xiàn)鏈?zhǔn)秸{(diào)用，我們必須手動的實現(xiàn)，因此finalize函數(shù)的最后一個語句通常是 super.finalize（）。通過這種方式，我們可以實現(xiàn)從下到上實現(xiàn)finalize的調(diào)用，即先釋放自己的資源，然后再釋放父類的資源。

根據(jù)Java語言規(guī)范，JVM保證調(diào)用finalize函數(shù)之前，這個對象是不可達的，但是JVM不保證這個函數(shù)一定會被調(diào)用。另外，規(guī)范還保證finalize函數(shù)最多運行一次。

很多Java初學(xué)者會認為這個方法類似與C++中的析構(gòu)函數(shù)，將很多對象、資源的釋放都放在這一函數(shù)里面。其實，這不是一種很好的方式。原因有三，其一，GC為了能夠支持finalize函數(shù)，要對覆蓋這個函數(shù)的對象作很多附加的工作。其二，在finalize運行完成之后，該對象可能變成可達的，GC還要再檢查一次該對象是否是可達的。因此，使用 finalize會降低GC的運行性能。其三，由于GC調(diào)用finalize的時間是不確定的，因此通過這種方式釋放資源也是不確定的。

通常，finalize用于一些不容易控制、并且非常重要資源的釋放，例如一些I/O的操作，數(shù)據(jù)的連接。這些資源的釋放對整個應(yīng)用程序是非常關(guān)鍵的。在這種情況下，程序員應(yīng)該以通過程序本身管理（包括釋放）這些資源為主，以finalize函數(shù)釋放資源方式為輔，形成一種雙保險的管理機制，而不應(yīng)該僅僅依靠finalize來釋放資源。

下面給出一個例子說明，finalize函數(shù)被調(diào)用以后，仍然可能是可達的，同時也可說明一個對象的finalize只可能運行一次。

 
class MyObject  
{  
  Test main; // 記錄Test對象，在finalize中時用于恢復(fù)可達性        
 
  public MyObject(Test t)  
  {  
    main = t; // 保存Test 對象      
  }  
 
  protected void finalize()  
  {  
    main.ref = this;// 恢復(fù)本對象，讓本對象可達        
    System.out.println("This is finalize");// 用于測試finalize只運行一次      
  }  
}  
class Test  
{  
  MyObject ref;  
 
  public static void main(String[] args)  
  {  
    Test test = new Test();  
    test.ref = new MyObject(test);  
    test.ref = null; // MyObject對象為不可達對象，finalize將被調(diào)用        
    System.gc();  
    if (test.ref != null)  
      System.out.println("My Object還活著");  
  }  
}  
class MyObject  
{  
  Test main; // 記錄Test對象，在finalize中時用于恢復(fù)可達性    
 
  public MyObject(Test t)  
  {  
    main = t; // 保存Test 對象   
  }  
 
  protected void finalize()  
  {  
    main.ref = this;// 恢復(fù)本對象，讓本對象可達    
    System.out.println("This is finalize");// 用于測試finalize只運行一次   
  }  
} 

運行結(jié)果：

This is finalize

MyObject還活著：此例子中，需要注意的是雖然MyObject對象在finalize中變成可達對象，但是下次回收時候，finalize卻不再被調(diào)用，因為finalize函數(shù)最多只調(diào)用一次。

四、Java程序如何與GC進行交互：

Java2 增強了內(nèi)存管理功能，增加了一個java.lang.ref包，其中定義了三種引用類。這三種引用類分別為SoftReference、WeakReference和 PhantomReference.通過使用這些引用類，程序員可以在一定程度與GC進行交互，以便改善GC的工作效率。這些引用類的引用強度介于可達對象和不可達對象之間。

創(chuàng)建一個引用對象也非常容易，例如如果你需要創(chuàng)建一個Soft Reference對象，那么首先創(chuàng)建一個對象，并采用普通引用方式（可達對象）；然后再創(chuàng)建一個SoftReference引用該對象；最后將普通引用設(shè)置為null.通過這種方式，這個對象就只有一個Soft Reference引用。同時，我們稱這個對象為Soft Reference 對象。

Soft Reference的主要特點是據(jù)有較強的引用功能。只有當(dāng)內(nèi)存不夠的時候，才進行回收這類內(nèi)存，因此在內(nèi)存足夠的時候，它們通常不被回收。另外，這些引用對象還能保證在Java拋出OutOfMemory 異常之前，被設(shè)置為null.它可以用于實現(xiàn)一些常用圖片的緩存，實現(xiàn)Cache的功能，保證最大限度的使用內(nèi)存而不引起OutOfMemory.以下給出這種引用類型的使用偽代碼；

// 申請一個圖像對象  
Image image=new Image();// 創(chuàng)建Image對象  
 …  
// 使用 image  
// …  
// 使用完了image，將它設(shè)置為soft 引用類型，并且釋放強引用；  
SoftReference sr=new SoftReference(image); image=null;   
 …  
// 下次使用時  
if (sr!=null) image=sr.get();   
else{   
// 由于GC由于低內(nèi)存，已釋放image，因此需要重新裝載；  
image=new Image(); sr=new SoftReference(image);  

// 申請一個圖像對象 
Image image=new Image();// 創(chuàng)建Image對象 
 … 
// 使用 image 
// … 
// 使用完了image，將它設(shè)置為soft 引用類型，并且釋放強引用； 
SoftReference sr=new SoftReference(image); image=null;   
 … 
// 下次使用時 
if (sr!=null) image=sr.get();   
else{   
// 由于GC由于低內(nèi)存，已釋放image，因此需要重新裝載； 
image=new Image(); sr=new SoftReference(image);  

Weak 引用對象與Soft引用對象的最大不同就在于：GC在進行回收時，需要通過算法檢查是否回收Soft引用對象，而對于Weak引用對象，GC總是進行回收。Weak引用對象更容易、更快被GC回收。雖然，GC在運行時一定回收Weak對象，但是復(fù)雜關(guān)系的Weak對象群常常需要好幾次 GC的運行才能完成。Weak引用對象常常用于Map結(jié)構(gòu)中，引用數(shù)據(jù)量較大的對象，一旦該對象的強引用為null時，GC能夠快速地回收該對象空間。

Phantom 引用的用途較少，主要用于輔助finalize函數(shù)的使用。Phantom對象指一些對象，它們執(zhí)行完了finalize函數(shù)，并為不可達對象，但是它們還沒有被GC回收。這種對象可以輔助finalize進行一些后期的回收工作，我們通過覆蓋Reference的clear（）方法，增強資源回收機制的靈活性。

五、一些Java編程的建議：

根據(jù)GC的工作原理，我們可以通過一些技巧和方式，讓GC運行更加有效率，更加符合應(yīng)用程序的要求。一些關(guān)于程序設(shè)計的幾點建議：

1.最基本的建議就是盡早釋放無用對象的引用。大多數(shù)程序員在使用臨時變量的時候，都是讓引用變量在退出活動域（scope）后，自動設(shè)置為 null.我們在使用這種方式時候，必須特別注意一些復(fù)雜的對象圖，例如數(shù)組，隊列，樹，圖等，這些對象之間有相互引用關(guān)系較為復(fù)雜。對于這類對象，GC 回收它們一般效率較低。如果程序允許，盡早將不用的引用對象賦為null.這樣可以加速GC的工作。

2.盡量少用finalize函數(shù)。finalize函數(shù)是Java提供給程序員一個釋放對象或資源的機會。但是，它會加大GC的工作量，因此盡量少采用finalize方式回收資源。

3.如果需要使用經(jīng)常使用的圖片，可以使用soft應(yīng)用類型。它可以盡可能將圖片保存在內(nèi)存中，供程序調(diào)用，而不引起OutOfMemory.

4.注意集合數(shù)據(jù)類型，包括數(shù)組，樹，圖，鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對GC來說，回收更為復(fù)雜。另外，注意一些全局的變量，以及一些靜態(tài)變量。這些變量往往容易引起懸掛對象（dangling reference），造成內(nèi)存浪費。

5.當(dāng)程序有一定的等待時間，程序員可以手動執(zhí)行System.gc（），通知GC運行，但是Java語言規(guī)范并不保證GC一定會執(zhí)行。使用增量式GC可以縮短Java程序的暫停時間。

 感謝閱讀，希望能幫助到大家，謝謝大家對本站的支持！

最新評論