Java垃圾回收机制

1. 垃圾回收的意义
　　在C++中，对象所占的内存在程序结束运行以前一直被占用，在明确释放以前不能分配给其它对象；而在Java中，当没有对象引用指向原先分配给某个对象的内存时，该内存便成为垃圾。JVM的一个系统级线程会自动释放该内存块。垃圾回收意味着程序再也不须要的对象是"无用信息"，这些信息将被丢弃。当一个对象再也不被引用的时候，内存回收它占领的空间，以便空间被后来的新对象使用。事实上，除了释放没用的对象，垃圾回收也能够清除内存记录碎片。因为建立对象和垃圾回收器释放丢弃对象所占的内存空间，内存会出现碎片。碎片是分配给对象的内存块之间的空闲内存洞。碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，JVM将整理出的内存分配给新的对象。
　　垃圾回收能自动释放内存空间，减轻编程的负担。这使Java 虚拟机具备一些优势。首先，它能使编程效率提升。在没有垃圾回收机制的时候，可能要花许多时间来解决一个难懂的存储器问题。在用Java语言编程的时候，靠垃圾回收机制可大大缩短期。其次是它保护程序的完整性， 垃圾回收是Java语言安全性策略的一个重要部份。
　　垃圾回收的一个潜在的缺点是它的开销影响程序性能。Java虚拟机必须追踪运行程序中有用的对象，并且最终释放没用的对象。这一个过程须要花费处理器的时间。其次垃圾回收算法的不完备性，早先采用的某些垃圾回收算法就不能保证100%收集到全部的废弃内存。固然随着垃圾回收算法的不断改进以及软硬件运行效率的不断提高，这些问题均可以迎刃而解。
2. 垃圾收集的算法分析
　　Java语言规范没有明确地说明JVM使用哪一种垃圾回收算法，可是任何一种垃圾回收算法通常要作2件基本的事情：（1）发现无用信息对象；（2）回收被无用对象占用的内存空间，使该空间可被程序再次使用。
　　大多数垃圾回收算法使用了根集(root set)这个概念；所谓根集就是正在执行的Java程序能够访问的引用变量的集合(包括局部变量、参数、类变量)，程序可使用引用变量访问对象的属性和调用对象的方法。垃圾回收首先须要肯定从根开始哪些是可达的和哪些是不可达的，从根集可达的对象都是活动对象，它们不能做为垃圾被回收，这也包括从根集间接可达的对象。而根集经过任意路径不可达的对象符合垃圾收集的条件，应该被回收。下面介绍几个经常使用的算法。
　　2.1. 引用计数法(Reference Counting Collector)
　　引用计数法是惟一没有使用根集的垃圾回收的法，该算法使用引用计数器来区分存活对象和再也不使用的对象。通常来讲，堆中的每一个对象对应一个引用计数器。当每一次建立一个对象并赋给一个变量时，引用计数器置为1。当对象被赋给任意变量时，引用计数器每次加1当对象出了做用域后(该对象丢弃再也不使用)，引用计数器减1，一旦引用计数器为0，对象就知足了垃圾收集的条件。
　　基于引用计数器的垃圾收集器运行较快，不会长时间中断程序执行，适宜地必须实时运行的程序。但引用计数器增长了程序执行的开销，由于每次对象赋给新的变量，计数器加1，而每次现有对象出了做用域生，计数器减1。
　　2.2. tracing算法(Tracing Collector)
　　tracing算法是为了解决引用计数法的问题而提出，它使用了根集的概念。基于tracing算法的垃圾收集器从根集开始扫描，识别出哪些对象可达，哪些对象不可达，并用某种方式标记可达对象，例如对每一个可达对象设置一个或多个位。在扫描识别过程当中，基于tracing算法的垃圾收集也称为标记和清除(mark-and-sweep)垃圾收集器.
　　2.3. compacting算法(Compacting Collector)
　　为了解决堆碎片问题，基于tracing的垃圾回收吸取了Compacting算法的思想，在清除的过程当中，算法将全部的对象移到堆的一端，堆的另外一端就变成了一个相邻的空闲内存区，收集器会对它移动的全部对象的全部引用进行更新，使得这些引用在新的位置能识别原来的对象。在基于Compacting算法的收集器的实现中，通常增长句柄和句柄表。
　　2.4. copying算法(Coping Collector)
　　该算法的提出是为了克服句柄的开销和解决堆碎片的垃圾回收。它开始时把堆分红一个对象区和多个空闲区，程序从对象区为对象分配空间，当对象满了，基于coping算法的垃圾回收就从根集中扫描活动对象，并将每一个活动对象复制到空闲区(使得活动对象所占的内存之间没有空闲间隔)，这样空闲区变成了对象区，原来的对象区变成了空闲区，程序会在新的对象区中分配内存。
　　一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它将堆分红对象区和空闲区域区，在对象区与空闲区域的切换过程当中，程序暂停执行。
　　2.5. generation算法(Generational Collector)
　　stop-and-copy垃圾收集器的一个缺陷是收集器必须复制全部的活动对象，这增长了程序等待时间，这是coping算法低效的缘由。在程序设计中有这样的规律：多数对象存在的时间比较短，少数的存在时间比较长。所以，generation算法将堆分红两个或多个，每一个子堆做为对象的一代 (generation)。因为多数对象存在的时间比较短，随着程序丢弃不使用的对象，垃圾收集器将从最年轻的子堆中收集这些对象。在分代式的垃圾收集器运行后，上次运行存活下来的对象移到下一最高代的子堆中，因为老一代的子堆不会常常被回收，于是节省了时间。
　　2.6. adaptive算法(Adaptive Collector)
　　在特定的状况下，一些垃圾收集算法会优于其它算法。基于Adaptive算法的垃圾收集器就是监控当前堆的使用状况，并将选择适当算法的垃圾收集器。

3. System.gc()方法

      命令行参数透视垃圾收集器的运行
　　使用System.gc()能够无论JVM使用的是哪种垃圾回收的算法，均可以请求Java的垃圾回收。在命令行中有一个参数-verbosegc能够查看Java使用的堆内存的状况，它的格式以下：
　　java -verbosegc classfile
　　能够看个例子：
　　

class TestGC
{
    public static void main(String[] args)
    {
　　    new TestGC();
　　    System.gc();
　　    System.runFinalization();
　　 }
}

　　在这个例子中，一个新的对象被建立，因为它没有使用，因此该对象迅速地变为不可达，程序编译后，执行命令： java -verbosegc TestGC 后结果为：
　　[Full GC 168K->97K(1984K)， 0.0253873 secs]
　　机器的环境为，Windows 2000 + JDK1.3.1，箭头先后的数据168K和97K分别表示垃圾收集GC先后全部存活对象使用的内存容量，说明有168K-97K=71K的对象容量被回收，括号内的数据1984K为堆内存的总容量，收集所须要的时间是0.0253873秒（这个时间在每次执行的时候会有所不一样）。

      须要注意的是，调用System.gc()也仅仅是一个请求(建议)。JVM接受这个消息后，并非当即作垃圾回收，而只是对几个垃圾回收算法作了加权，使垃圾回收操做容易发生，或提前发生，或回收较多而已。

4. finalize()方法

      在JVM垃圾回收器收集一个对象以前，通常要求程序调用适当的方法释放资源，但在没有明确释放资源的状况下，Java提供了缺省机制来终止该对象心释放资源，这个方法就是finalize（）。它的原型为：
　　protected void finalize() throws Throwable
　　在finalize()方法返回以后，对象消失，垃圾收集开始执行。原型中的throws Throwable表示它能够抛出任何类型的异常。
　　之因此要使用finalize()，是存在着垃圾回收器不能处理的特殊状况。假定你的对象（并不是使用new方法）得到了一块“特殊”的内存区域，因为垃圾回收器只知道那些显示地经由new分配的内存空间，因此它不知道该如何释放这块“特殊”的内存区域，那么这个时候java容许在类中定义一个由finalize()方法。

      特殊的区域例如：1）因为在分配内存的时候可能采用了相似 C语言的作法，而非JAVA的一般new作法。这种状况主要发生在native method中，好比native method调用了C/C++方法malloc()函数系列来分配存储空间，可是除非调用free()函数，不然这些内存空间将不会获得释放，那么这个时候就可能形成内存泄漏。可是因为free()方法是在C/C++中的函数，因此finalize()中能够用本地方法来调用它。以释放这些“特殊”的内存空间。2）又或者打开的文件资源，这些资源不属于垃圾回收器的回收范围。
      换言之，finalize()的主要用途是释放一些其余作法开辟的内存空间，以及作一些清理工做。由于在JAVA中并无提够像“析构”函数或者相似概念的函数，要作一些相似清理工做的时候，必须本身动手建立一个执行清理工做的普通方法，也就是override Object这个类中的finalize()方法。例如，假设某一个对象在建立过程当中会将本身绘制到屏幕上，若是不是明确地从屏幕上将其擦出，它可能永远都不会被清理。若是在finalize()加入某一种擦除功能，当GC工做时，finalize()获得了调用，图像就会被擦除。要是GC没有发生，那么这个图像就会

被一直保存下来。

      一旦垃圾回收器准备好释放对象占用的存储空间，首先会去调用finalize()方法进行一些必要的清理工做。只有到下一次再进行垃圾回收动做的时候，才会真正释放这个对象所占用的内存空间。
　　在普通的清除工做中，为清除一个对象，那个对象的用户必须在但愿进行清除的地点调用一个清除方法。这与C++"析构函数"的概念稍有抵触。在C++中，全部对象都会破坏（清除）。或者换句话说，全部对象都"应该"破坏。若将C++对象建立成一个本地对象，好比在堆栈中建立（在Java中是不可能的，Java都在堆中），那么清除或破坏工做就会在"结束花括号"所表明的、建立这个对象的做用域的末尾进行。若对象是用new建立的（相似于Java），那么当程序员调用C++的 delete命令时（Java没有这个命令），就会调用相应的析构函数。若程序员忘记了，那么永远不会调用析构函数，咱们最终获得的将是一个内存"漏洞"，另外还包括对象的其余部分永远不会获得清除。
　　相反，Java不容许咱们建立本地（局部）对象--不管如何都要使用new。但在Java中，没有"delete"命令来释放对象，由于垃圾回收器会帮助咱们自动释放存储空间。因此若是站在比较简化的立场，咱们能够说正是因为存在垃圾回收机制，因此Java没有析构函数。然而，随着之后学习的深刻，就会知道垃圾收集器的存在并不能彻底消除对析构函数的须要，或者说不能消除对析构函数表明的那种机制的须要（缘由见下一段。另外finalize()函数是在垃圾回收器准备释放对象占用的存储空间的时候被调用的，绝对不能直接调用finalize()，因此应尽可能避免用它）。若但愿执行除释放存储空间以外的其余某种形式的清除工做，仍然必须调用Java中的一个方法。它等价于C++的析构函数，只是没后者方便。
      在C++中全部的对象运用delete()必定会被销毁，而JAVA里的对象并不是总会被垃圾回收器回收。In another word, 1 对象可能不被垃圾回收，2 垃圾回收并不等于“析构”，3 垃圾回收只与内存有关。也就是说，并非若是一个对象再也不被使用，是否是要在finalize()中释放这个对象中含有的其它对象呢？不是的。由于不管对象是如何建立的，垃圾回收器都会负责释放那些对象占有的内存。

5. 触发主GC（Garbage Collector）的条件

　　JVM进行次GC的频率很高,但由于这种GC占用时间极短,因此对系统产生的影响不大。更值得关注的是主GC的触发条件,由于它对系统影响很明显。总的来讲,有两个条件会触发主GC:

　　1)当应用程序空闲时,即没有应用线程在运行时,GC会被调用。由于GC在优先级最低的线程中进行,因此当应用忙时,GC线程就不会被调用,但如下条件除外。

　　2)Java堆内存不足时,GC会被调用。当应用线程在运行,并在运行过程当中建立新对象,若这时内存空间不足,JVM就会强制地调用GC线程,以便回收内存用于新的分配。若GC一次以后仍不能知足内存分配的要求,JVM会再进行两次GC做进一步的尝试,若仍没法知足要求,则 JVM将报“out of memory”的错误,Java应用将中止。

　　因为是否进行主GC由JVM根据系统环境决定,而系统环境在不断的变化当中,因此主GC的运行具备不肯定性,没法预计它什么时候必然出现,但能够肯定的是对一个长期运行的应用来讲,其主GC是反复进行的。

6. 减小GC开销的措施

　　根据上述GC的机制,程序的运行会直接影响系统环境的变化,从而影响GC的触发。若不针对GC的特色进行设计和编码,就会出现内存驻留等一系列负面影响。为了不这些影响,基本的原则就是尽量地减小垃圾和减小GC过程当中的开销。具体措施包括如下几个方面:

　　(1)不要显式调用System.gc()

　　此函数建议JVM进行主GC,虽然只是建议而非必定,但不少状况下它会触发主GC,从而增长主GC的频率,也即增长了间歇性停顿的次数。

　　(2)尽可能减小临时对象的使用

　　临时对象在跳出函数调用后,会成为垃圾,少用临时变量就至关于减小了垃圾的产生,从而延长了出现上述第二个触发条件出现的时间,减小了主GC的机会。

　　(3)对象不用时最好显式置为Null

　　通常而言,为Null的对象都会被做为垃圾处理,因此将不用的对象显式地设为Null,有利于GC收集器断定垃圾,从而提升了GC的效率。

　　(4)尽可能使用StringBuffer,而不用String来累加字符串

　　因为String是固定长的字符串对象,累加String对象时,并不是在一个String对象中扩增,而是从新建立新的String对象,如Str5=Str1+Str2+Str3+Str4,这条语句执行过程当中会产生多个垃圾对象,由于对次做“+”操做时都必须建立新的String对象,但这些过渡对象对系统来讲是没有实际意义的,只会增长更多的垃圾。避免这种状况能够改用StringBuffer来累加字符串,因StringBuffer是可变长的,它在原有基础上进行扩增,不会产生中间对象。

　　(5)能用基本类型如Int,Long,就不用Integer,Long对象

　　基本类型变量占用的内存资源比相应对象占用的少得多,若是没有必要,最好使用基本变量。

　　(6)尽可能少用静态对象变量

　　静态变量属于全局变量,不会被GC回收,它们会一直占用内存。

　　(7)分散对象建立或删除的时间

　　集中在短期内大量建立新对象,特别是大对象,会致使忽然须要大量内存,JVM在面临这种状况时,只能进行主GC,以回收内存或整合内存碎片,从而增长主GC的频率。集中删除对象,道理也是同样的。它使得忽然出现了大量的垃圾对象,空闲空间必然减小,从而大大增长了下一次建立新对象时强制主GC的机会。

 

      下面这个例子向你们展现了垃圾收集所经历的过程，并对前面的陈述进行了总结。

class Chair {
　　static boolean gcrun = false;
　　static boolean f = false;
　　static int created = 0;
　　static int finalized = 0;
　　int i;
　　Chair() {
　　    i = ++created;
　　    if(created == 47)
　　　      System.out.println("Created 47");
　　}
　　protected void finalize() {
　　    if(!gcrun) {
　　　      gcrun = true;
　　　      System.out.println("Beginning to finalize after " + created + " Chairs have been created");
　　    }
　　    if(i == 47) {
　　　      System.out.println("Finalizing Chair #47， " +"Setting flag to stop Chair creation");
　　　      f = true;
　　    }
　　    finalized++;
　　    if(finalized >= created)
　　　      System.out.println("All " + finalized + " finalized");
　　}
}

public class Garbage {
　　public static void main(String[] args) {
　　if(args.length == 0) {
　　　  System.err.println("Usage: /n" + "java Garbage before/n or:/n" + "java Garbage after");
　　　  return;
　　}
　　while(!Chair.f) {
　　　  new Chair();
　　　  new String("To take up space");
　　}
　　System.out.println("After all Chairs have been created:/n" + "total created = " + Chair.created +
　　"， total finalized = " + Chair.finalized);
　　if(args[0].equals("before")) {
　　　　System.out.println("gc():");
　　　　System.gc();
　　　　System.out.println("runFinalization():");
　　　　System.runFinalization();
　　}
　　System.out.println("bye!");
　　if(args[0].equals("after"))
　　　  System.runFinalizersOnExit(true);
　　}
}

 

      上面这个程序建立了许多Chair对象，并且在垃圾收集器开始运行后的某些时候，程序会中止建立Chair。因为垃圾收集器可能在任什么时候间运行，因此咱们不能准确知道它在什么时候启动。所以，程序用一个名为gcrun的标记来指出垃圾收集器是否已经开始运行。利用第二个标记f，Chair可告诉main()它应中止对象的生成。这两个标记都是在finalize()内部设置的，它调用于垃圾收集期间。另两个static变量--created以及 finalized--分别用于跟踪已建立的对象数量以及垃圾收集器已进行完收尾工做的对象数量。最后，每一个Chair都有它本身的（非 static）int i，因此能跟踪了解它具体的编号是多少。编号为47的Chair进行完收尾工做后，标记会设为true，最终结束Chair对象的建立过程。

7. 关于垃圾回收的几点补充　　通过上述的说明，能够发现垃圾回收有如下的几个特色：　　（1）垃圾收集发生的不可预知性：因为实现了不一样的垃圾回收算法和采用了不一样的收集机制，因此它有多是定时发生，有多是当出现系统空闲CPU资源时发生，也有多是和原始的垃圾收集同样，等到内存消耗出现极限时发生，这与垃圾收集器的选择和具体的设置都有关系。　　（2）垃圾收集的精确性：主要包括2 个方面：（a）垃圾收集器可以精确标记活着的对象；（b）垃圾收集器可以精确地定位对象之间的引用关系。前者是彻底地回收全部废弃对象的前提，不然就可能形成内存泄漏。然后者则是实现归并和复制等算法的必要条件。全部不可达对象都可以可靠地获得回收，全部对象都可以从新分配，容许对象的复制和对象内存的缩并，这样就有效地防止内存的支离破碎。　　（3）如今有许多种不一样的垃圾收集器，每种有其算法且其表现各异，既有当垃圾收集开始时就中止应用程序的运行，又有当垃圾收集开始时也容许应用程序的线程运行，还有在同一时间垃圾收集多线程运行。　　（4）垃圾收集的实现和具体的JVM 以及JVM的内存模型有很是紧密的关系。不一样的JVM 可能采用不一样的垃圾收集，而JVM 的内存模型决定着该JVM能够采用哪些类型垃圾收集。如今，HotSpot 系列JVM中的内存系统都采用先进的面向对象的框架设计，这使得该系列JVM均可以采用最早进的垃圾收集。　　（5）随着技术的发展，现代垃圾收集技术提供许多可选的垃圾收集器，并且在配置每种收集器的时候又能够设置不一样的参数，这就使得根据不一样的应用环境得到最优的应用性能成为可能。　　针对以上特色，咱们在使用的时候要注意：　　（1）不要试图去假定垃圾收集发生的时间，这一切都是未知的。好比，方法中的一个临时对象在方法调用完毕后就变成了无用对象，这个时候它的内存就能够被释放。　　（2）Java中提供了一些和垃圾收集打交道的类，并且提供了一种强行执行垃圾收集的方法--调用System.gc()，但这一样是个不肯定的方法。Java 中并不保证每次调用该方法就必定可以启动垃圾收集，它只不过会向JVM发出这样一个申请，究竟是否真正执行垃圾收集，一切都是个未知数。　　（3）挑选适合本身的垃圾收集器。通常来讲，若是系统没有特殊和苛刻的性能要求，能够采用JVM的缺省选项。不然能够考虑使用有针对性的垃圾收集器，好比增量收集器就比较适合实时性要求较高的系统之中。系统具备较高的配置，有比较多的闲置资源，能够考虑使用并行标记/清除收集器。　　（4）关键的也是难把握的问题是内存泄漏。良好的编程习惯和严谨的编程态度永远是最重要的，不要让本身的一个小错误致使内存出现大漏洞。　　（5）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，暗示垃圾收集器来收集该对象，还必须注意该引用的对象是否被监听，若是有，则要去掉监听器，而后再赋空值。