Java中GC的工作原理

引子：面試時(shí)被問(wèn)到垃圾回收機(jī)制，只是粗略的講'程序員不能直接對(duì)內(nèi)存操作，jvm負(fù)責(zé)對(duì)已經(jīng)超過(guò)作用域的對(duì)象回收處理'，面官表情呆滯，也就沒(méi)再繼續(xù)深入。

轉(zhuǎn)文：

一個(gè)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(jìn)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(shí)時(shí)系統(tǒng)等，只有全面提升內(nèi)存的管理效率，才能提高整個(gè)應(yīng)用程序的性能。本文將從GC的工作原理、GC的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討，最后提出一些Java程序設(shè)計(jì)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(wèn)題的地方，忘記或者錯(cuò)誤的內(nèi)存回收會(huì)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(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)象是否超過(guò)作用域從而達(dá)到自動(dòng)回收內(nèi)存的目的，Java語(yǔ)言沒(méi)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(shí)際上就是對(duì)象的管理，其中包括對(duì)象的分配和釋放。

對(duì)于Java程序員來(lái)說(shuō)，分配對(duì)象使用new關(guān)鍵字；釋放對(duì)象時(shí)，只要將對(duì)象所有引用賦值為null，讓程序不能夠再訪問(wèn)到這個(gè)對(duì)象，我們稱該對(duì)象為"不可達(dá)的".GC將負(fù)責(zé)回收所有"不可達(dá)"對(duì)象的內(nèi)存空間。

對(duì)于GC來(lái)說(shuō)，當(dāng)程序員創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，GC就開(kāi)始監(jiān)控這個(gè)對(duì)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(duì)象。通過(guò)這種方式確定哪些對(duì)象是"可達(dá)的"，哪些對(duì)象是"不可達(dá)的".當(dāng)GC確定一些對(duì)象為"不可達(dá)"時(shí)，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(tái)實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，Java規(guī)范對(duì)GC的很多行為都沒(méi)有進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定。例如，對(duì)于采用什么類型的回收算法、什么時(shí)候進(jìn)行回收等重要問(wèn)題都沒(méi)有明確的規(guī)定。因此，不同的JVM的實(shí)現(xiàn)者往往有不同的實(shí)現(xiàn)算法。這也給Java程序員的開(kāi)發(fā)帶來(lái)行多不確定性。本文研究了幾個(gè)與GC工作相關(guān)的問(wèn)題，努力減少這種不確定性給Java程序帶來(lái)的負(fù)面影響。

二、增量式GC(Incremental GC)：

GC在JVM中通常是由一個(gè)或一組進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它本身也和用戶程序一樣占用heap空間，運(yùn)行時(shí)也占用CPU.當(dāng)GC進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序停止運(yùn)行。因此，當(dāng)GC運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，用戶能夠感到Java程序的停頓，另外一方面，如果GC運(yùn)行時(shí)間太短，則可能對(duì)象回收率太低，這意味著還有很多應(yīng)該回收的對(duì)象沒(méi)有被回收，仍然占用大量?jī)?nèi)存。因此，在設(shè)計(jì)GC的時(shí)候，就必須在停頓時(shí)間和回收率之間進(jìn)行權(quán)衡。一個(gè)好的GC實(shí)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(duì)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(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)游戲，就不能夠允許程序有長(zhǎng)時(shí)間的中斷。增量式GC就是通過(guò)一定的回收算法，把一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的中斷，劃分為很多個(gè)小的中斷，通過(guò)這種方式減少GC對(duì)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(zhǎng)停頓時(shí)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(dòng)增量GC，我們必須在運(yùn)行Java程序時(shí)增加-Xincgc的參數(shù)。HotSpot JVM增量式GC的實(shí)現(xiàn)是采用Train GC算法。它的基本想法就是，將堆中的所有對(duì)象按照創(chuàng)建和使用情況進(jìn)行分組（分層），將使用頻繁高和具有相關(guān)性的對(duì)象放在一隊(duì)中，隨著程序的運(yùn)行，不斷對(duì)組進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)GC運(yùn)行時(shí)，它總是先回收最老的（最近很少訪問(wèn)的）的對(duì)象，如果整組都為可回收對(duì)象，GC將整組回收。這樣，每次GC運(yùn)行只回收一定比例的不可達(dá)對(duì)象，保證程序的順暢運(yùn)行。

三、詳解finalize函數(shù)：

finalize 是位于Object類的一個(gè)方法，該方法的訪問(wèn)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(wèn)到這個(gè)方法。由于，finalize函數(shù)沒(méi)有自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)秸{(diào)用，我們必須手動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，因此finalize函數(shù)的最后一個(gè)語(yǔ)句通常是 super.finalize（）。通過(guò)這種方式，我們可以實(shí)現(xiàn)從下到上實(shí)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(yǔ)言規(guī)范，JVM保證調(diào)用finalize函數(shù)之前，這個(gè)對(duì)象是不可達(dá)的，但是JVM不保證這個(gè)函數(shù)一定會(huì)被調(diào)用。另外，規(guī)范還保證finalize函數(shù)最多運(yùn)行一次。

很多Java初學(xué)者會(huì)認(rèn)為這個(gè)方法類似與C++中的析構(gòu)函數(shù)，將很多對(duì)象、資源的釋放都放在這一函數(shù)里面。其實(shí)，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(duì)覆蓋這個(gè)函數(shù)的對(duì)象作很多附加的工作。其二，在finalize運(yùn)行完成之后，該對(duì)象可能變成可達(dá)的，GC還要再檢查一次該對(duì)象是否是可達(dá)的。因此，使用 finalize會(huì)降低GC的運(yùn)行性能。其三，由于GC調(diào)用finalize的時(shí)間是不確定的，因此通過(guò)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(duì)整個(gè)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(guò)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(xiǎn)的管理機(jī)制，而不應(yīng)該僅僅依靠finalize來(lái)釋放資源。

下面給出一個(gè)例子說(shuō)明，finalize函數(shù)被調(diào)用以后，仍然可能是可達(dá)的，同時(shí)也可說(shuō)明一個(gè)對(duì)象的finalize只可能運(yùn)行一次。

 
class MyObject  
{  
  Test main; // 記錄Test對(duì)象，在finalize中時(shí)用于恢復(fù)可達(dá)性        
 
  public MyObject(Test t)  
  {  
    main = t; // 保存Test 對(duì)象      
  }  
 
  protected void finalize()  
  {  
    main.ref = this;// 恢復(fù)本對(duì)象，讓本對(duì)象可達(dá)        
    System.out.println("This is finalize");// 用于測(cè)試finalize只運(yùn)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(duì)象為不可達(dá)對(duì)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(duì)象，在finalize中時(shí)用于恢復(fù)可達(dá)性    
 
  public MyObject(Test t)  
  {  
    main = t; // 保存Test 對(duì)象   
  }  
 
  protected void finalize()  
  {  
    main.ref = this;// 恢復(fù)本對(duì)象，讓本對(duì)象可達(dá)    
    System.out.println("This is finalize");// 用于測(cè)試finalize只運(yùn)行一次   
  }  
} 

運(yùn)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(duì)象在finalize中變成可達(dá)對(duì)象，但是下次回收時(shí)候，finalize卻不再被調(diào)用，因?yàn)閒inalize函數(shù)最多只調(diào)用一次。

四、Java程序如何與GC進(jìn)行交互：

Java2 增強(qiáng)了內(nèi)存管理功能，增加了一個(gè)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(guò)使用這些引用類，程序員可以在一定程度與GC進(jìn)行交互，以便改善GC的工作效率。這些引用類的引用強(qiáng)度介于可達(dá)對(duì)象和不可達(dá)對(duì)象之間。

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

Soft Reference的主要特點(diǎn)是據(jù)有較強(qiáng)的引用功能。只有當(dāng)內(nèi)存不夠的時(shí)候，才進(jìn)行回收這類內(nèi)存，因此在內(nèi)存足夠的時(shí)候，它們通常不被回收。另外，這些引用對(duì)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(shí)現(xiàn)一些常用圖片的緩存，實(shí)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(qǐng)一個(gè)圖像對(duì)象  
Image image=new Image();// 創(chuàng)建Image對(duì)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(qiáng)引用；  
SoftReference sr=new SoftReference(image); image=null;   
 …  
// 下次使用時(shí)  
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(qǐng)一個(gè)圖像對(duì)象 
Image image=new Image();// 創(chuàng)建Image對(duì)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(qiáng)引用； 
SoftReference sr=new SoftReference(image); image=null;   
 … 
// 下次使用時(shí) 
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(duì)象與Soft引用對(duì)象的最大不同就在于：GC在進(jìn)行回收時(shí)，需要通過(guò)算法檢查是否回收Soft引用對(duì)象，而對(duì)于Weak引用對(duì)象，GC總是進(jìn)行回收。Weak引用對(duì)象更容易、更快被GC回收。雖然，GC在運(yùn)行時(shí)一定回收Weak對(duì)象，但是復(fù)雜關(guān)系的Weak對(duì)象群常常需要好幾次 GC的運(yùn)行才能完成。Weak引用對(duì)象常常用于Map結(jié)構(gòu)中，引用數(shù)據(jù)量較大的對(duì)象，一旦該對(duì)象的強(qiáng)引用為null時(shí)，GC能夠快速地回收該對(duì)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(duì)象指一些對(duì)象，它們執(zhí)行完了finalize函數(shù)，并為不可達(dá)對(duì)象，但是它們還沒(méi)有被GC回收。這種對(duì)象可以輔助finalize進(jìn)行一些后期的回收工作，我們通過(guò)覆蓋Reference的clear（）方法，增強(qiáng)資源回收機(jī)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(guò)一些技巧和方式，讓GC運(yùn)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(jì)的幾點(diǎn)建議：

1.最基本的建議就是盡早釋放無(wú)用對(duì)象的引用。大多數(shù)程序員在使用臨時(shí)變量的時(shí)候，都是讓引用變量在退出活動(dòng)域（scope）后，自動(dòng)設(shè)置為 null.我們?cè)谑褂眠@種方式時(shí)候，必須特別注意一些復(fù)雜的對(duì)象圖，例如數(shù)組，隊(duì)列，樹(shù)，圖等，這些對(duì)象之間有相互引用關(guān)系較為復(fù)雜。對(duì)于這類對(duì)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(duì)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(gè)釋放對(duì)象或資源的機(jī)會(huì)。但是，它會(huì)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(shù)，圖，鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)GC來(lái)說(shuō)，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(duì)象（dangling reference），造成內(nèi)存浪費(fèi)。

5.當(dāng)程序有一定的等待時(shí)間，程序員可以手動(dòng)執(zhí)行System.gc（），通知GC運(yùn)行，但是Java語(yǔ)言規(guī)范并不保證GC一定會(huì)執(zhí)行。使用增量式GC可以縮短Java程序的暫停時(shí)間。

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