java GC总结

jopen 10年前

引子：面试时被问到垃圾回收机制，只是粗略的讲'程序员不能直接对内存操作，jvm负责对已经超过作用域的对象回收处理'，面官表情呆滞，也就没再继续深入。 

转文： 

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。 

一、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Java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。 

二、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。 

三、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代码 复制代码
  1.   
  2. class MyObject   
  3. {   
  4.     Test main; // 记录Test对象，在finalize中时用于恢复可达性                
  5.   
  6.     public MyObject(Test t)   
  7.     {   
  8.         main = t; // 保存Test 对象            
  9.     }   
  10.   
  11.     protected void finalize()   
  12.     {   
  13.         main.ref = this;// 恢复本对象，让本对象可达                
  14.         System.out.println("This is finalize");// 用于测试finalize只运行一次            
  15.     }   
  16. }   
  17. class Test   
  18. {   
  19.     MyObject ref;   
  20.   
  21.     public static void main(String[] args)   
  22.     {   
  23.         Test test = new Test();   
  24.         test.ref = new MyObject(test);   
  25.         test.ref = null; // MyObject对象为不可达对象，finalize将被调用                
  26.         System.gc();   
  27.         if (test.ref != null)   
  28.             System.out.println("My Object还活着");   
  29.     }   
  30. }   
  31. class MyObject   
  32. {   
  33.     Test main; // 记录Test对象，在finalize中时用于恢复可达性       
  34.   
  35.     public MyObject(Test t)   
  36.     {   
  37.         main = t; // 保存Test 对象      
  38.     }   
  39.   
  40.     protected void finalize()   
  41.     {   
  42.         main.ref = this;// 恢复本对象，让本对象可达       
  43.         System.out.println("This is finalize");// 用于测试finalize只运行一次      
  44.     }   
  45. }  

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。 

四、Java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； 

Java代码 复制代码
  1.   
  2. // 申请一个图像对象   
  3. Image image=new Image();// 创建Image对象   
  4.  …   
  5. // 使用 image   
  6. // …   
  7. // 使用完了image，将它设置为soft 引用类型，并且释放强引用；   
  8. SoftReference sr=new SoftReference(image);  image=null;      
  9.  …   
  10. // 下次使用时   
  11. if (sr!=null) image=sr.get();      
  12. else{      
  13. // 由于GC由于低内存，已释放image，因此需要重新装载；   
  14. 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。 


五、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。