优秀的Java程序员必须了解GC的工做原理

 一个优秀的Java程 序员必须了解GC的工做原理、如何优化GC的性能、如何与GC进行有限的交互，由于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 提高内存的管理效率 ，才能提升整个应用程序的性能。本篇文章首先简单介绍GC的工做原理以后，而后再对GC的几个关键问题进行深刻探讨，最后提出一些Java程序设计建议，从GC角度提升Java程序的性能。

    　　GC的基本原理

    　　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。

    　　对于程序员来讲，分配对象使用new关键字；释放对象时，只要将对象全部引用赋值为null，让程序不可以再访问到这个对象，咱们称该对象为\"不可达的\".GC将负责回收全部\"不可达\"对象的内存空间。

    　　对于GC来讲，当程序员建立对象时，GC就开始监控这个对象的地址、大小以及使用状况。一般，GC采用有向图的方式记录和管理堆（heap）中的全部 对象（详见 参考资料1 ）。经过这种方式肯定哪些对象是\"可达的\"，哪些对象是\"不可达的\".当GC肯定一些对象为\"不可达\"时，GC就有责任回收这些内存空间。但 是，为了保证GC可以在不一样平台实现的问题，Java规范对GC的不少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、何时进行回收等 重要问题都没有明确的规定。所以，不一样的JVM的实现者每每有不一样的实现算法。这也给Java程序员的开发带来行多不肯定性。本文研究了几个与GC工做相 关的问题，努力减小这种不肯定性给Java程序带来的负面影响。

    　　增量式GC（ Incremental GC ）

    　　GC在JVM中一般是由一个或一组进程来实现的，它自己也和用户程序同样占用heap空间，运行时也占用CPU.当GC进程运行时，应用程序中止运 行。所以，当GC运行时间较长时，用户可以感到Java程序的停顿，另一方面，若是GC运行时间过短，则可能对象回收率过低，这意味着还有不少应该回收 的对象没有被回收，仍然占用大量内存。所以，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实现容许用户定义本身所须要的设置， 例若有些内存有限有设备，对内存的使用量很是敏感，但愿GC可以准确的回收内存，它并不在乎程序速度的放慢。另一些实时网络游戏，就不可以容许程序有长 时间的中断。增量式GC就是经过必定的回收算法，把一个长时间的中断，划分为不少个小的中断，经过这种方式减小GC对用户程序的影响。虽然，增量式GC在 总体性能上可能不如普通GC的效率高，可是它可以减小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，咱们必须在运行Java程序时增长-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，将堆中的全部对象按照建立和使用状况进行分组（分层），将使用频繁高和具备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，它老是先回收最老的（最近不多访问的）的对象，若是整组都为可回收对象，GC将整组回收。这样，每次GC运行只回收必定比例的 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，因为全部类为Object的子类，所以用户类很容易访问 到这个方法。因为，finalize函数没有自动实现链式调用，咱们必须手动的实现，所以finalize函数的最后一个语句一般是 super.finalize（）。经过这种方式，咱们能够实现从下到上实现finalize的调用，即先释放本身的资源，而后再释放父类的资源。

    　　根据Java语言规范，JVM保证调用finalize函数以前，这个对象是不可达的，可是JVM不保证这个函数必定会被调用。另外，规范还保证finalize函数最多运行一次。

    　　不少Java初学者会认为这个方法相似与C++中 的析构函数，将不少对象、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。缘由有三，其一，GC为了可以支持finalize函数，要对覆盖 这个函数的对象做不少附加的工做。其二，在finalize运行完成以后，该对象可能变成可达的，GC还要再检查一次该对象是不是可达的。所以，使用 finalize会下降GC的运行性能。其三，因为GC调用finalize的时间是不肯定的，所以经过这种方式释放资源也是不肯定的。

    　　一般，finalize用于一些不容易控制、而且很是重要资源的释放，例如一些I/O的操做，数据的链接。这些资源的释放对整个应用程序是很是关键 的。在这种状况下，程序员应该以经过程序自己管理（包括释放）这些资源为主，以finalize函数释放资源方式为辅，造成一种双保险的管理机制，而不该 该仅仅依靠finalize来释放资源。

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

    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
    　　 }
    　　}

    　　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，须要注意的是虽然MyObject对象在finalize中变成可达对象，可是下次回收时候，finalize却再也不被调用，由于finalize函数最多只调用一次。

程序如何与GC进行交互

Java2加强了内存管理功能， 增长了一个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.经过使用这些引用类，程序员能够在必定程度与GC进行交互，以便改善GC的工做效率。这些引用类的引用强度介于可达对 象和不可达对象之间。

建立一个引用对象也很是容易，例如若是你须要建立一个Soft Reference对象，那么首先建立一个对象，并采用普通引用方式（可达对象）；而后再建立一个SoftReference引用该对象；最后将普通引用 设置为null.经过这种方式，这个对象就只有一个Soft Reference引用。同时，咱们称这个对象为Soft Reference 对象。

Soft Reference的主要特色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，所以在内存足够的时候，它们一般不被回收。另外，这些引 用对象还能保证在Java抛出OutOfMemory 异常以前，被设置为null.它能够用于实现一些经常使用图片的缓存，实现Cache的功能，保证最大限度的使用内存而不引发OutOfMemory.如下给 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();//建立Image对象
…
//使用 image
…
//使用完了image，将它设置为soft 引用类型，而且释放强引用；
SoftReference sr=new SoftReference(image);
image=null;
…
//下次使用时
if (sr!=null) image=sr.get();
else{
//因为GC因为低内存，已释放image，所以须要从新装载；
image=new Image();
sr=new SoftReference(image);
}

 

Weak引用对象与Soft引用对象的最大不一样就在于：GC在进行回收时，须要经过算法检查是否回收Soft引用对象，而对于Weak引用对 象，GC老是进行回收。Weak引用对象更容易、更快被GC回收。虽然，GC在运行时必定回收Weak对象，可是复杂关系的Weak对象群经常须要好几回 GC的运行才能完成。Weak引用对象经常用于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可以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，可是它们尚未被GC回收。这种对象能够辅助finalize进行一些后期的回收工做，咱们经过覆盖Reference的clear（） 方法，加强资源回收机制的灵活性。

一些Java编码的建议

根据GC的工做原理，咱们能够经过一些技巧和方式，让GC运行更加有效率，更加符合应用程序的要求。如下就是一些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.咱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 回收它们通常效率较低。若是程序容许，尽早将不用的引用对象赋为null.这样能够加速GC的工做。 [Page]

2.尽可能少用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。可是，它会加大GC的工做量，所以尽可能少采用finalize方式回收资源。

3.若是须要使用常用的图片，可使用soft应用类型。它能够尽量将图片保存在内存中，供程序调用，而不引发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来讲，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。这些变量每每容易引发悬挂对象（dangling reference），形成内存浪费。

5.当程序有必定的等待时间，程序员能够手动执行System.gc（），通知GC运行，可是Java语言规范并不保证GC必定会执行。使用增量式GC能够缩短Java程序的暂停时间。