gc機制

 

一個優秀的Java程序員必須瞭解GC的工做原理、如何優化GC的性能、如何與GC進行有限的交互，由於有一些應用程序對性能要求較高，例如嵌入式系統、實時系統等，只有全面提高內存的管理效率 ，才能提升整個應用程序的性能。

一個優秀的Java程序員必須瞭解GC的工做原理、如何優化GC的性能、如何與GC進行有限的交互，由於有一些應用程序對性能要求較高，例如嵌入式系統、實時系統等，只有全面提高內存的管理效率 ，才能提升整個應用程序的性能。本篇文章首先簡單介紹GC的工做原理以後，而後再對GC的幾個關鍵問題進行深刻探討，最後提出一些Java程序設計建議，從GC角度提升Java程序的性能。

GC的基本原理

Java的內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。

對於程序員來講，分配對象使用new關鍵字；釋放對象時，只要將對象全部引用賦值爲null，讓程序不可以再訪問到這個對象，咱們稱該對象爲\"不可達的\".GC將負責回收全部\"不可達\"對象的內存空間。

對於GC來講，當程序員建立對象時，GC就開始監控這個對象的地址、大小以及使用狀況。一般，GC採用有向圖的方式記錄和管理堆（heap）中的全部對象（詳見 參考資料1 ）。經過這種方式肯定哪些對象是\"可達的\"，哪些對象是\"不可達的\".當GC肯定一些對象爲\"不可達\"時，GC就有責任回收這些內存空間。可是，爲了保證GC可以在不一樣平臺實現的問題，Java規範對GC的不少行爲都沒有進行嚴格的規定。例如，對於採用什麼類型的回收算法、何時進行回收等重要問題都沒有明確的規定。所以，不一樣的JVM的實現者每每有不一樣的實現算法。這也給Java程序員的開發帶來行多不肯定性。本文研究了幾個與GC工做相關的問題，努力減小這種不肯定性給Java程序帶來的負面影響。

增量式GC（ Incremental GC ）

GC在JVM中一般是由一個或一組進程來實現的，它自己也和用戶程序同樣佔用heap空間，運行時也佔用CPU.當GC進程運行時，應用程序中止運行。所以，當GC運行時間較長時，用戶可以感到 Java程序的停頓，另一方面，若是GC運行時間過短，則可能對象回收率過低，這意味着還有不少應該回收的對象沒有被回收，仍然佔用大量內存。所以，在設計GC的時候，就必須在停頓時間和回收率之間進行權衡。一個好的GC實現容許用戶定義本身所須要的設置，例若有些內存有限有設備，對內存的使用量很是敏感，但願GC可以準確的回收內存，它並不在乎程序速度的放慢。另一些實時網絡遊戲，就不可以容許程序有長時間的中斷。增量式GC就是經過必定的回收算法，把一個長時間的中斷，劃分爲不少個小的中斷，經過這種方式減小GC對用戶程序的影響。雖然，增量式GC在總體性能上可能不如普通GC的效率高，可是它可以減小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方式爲不使用增量GC，爲了啓動增量GC，咱們必須在運行Java程序時增長-Xincgc的參數。HotSpot JVM增量式GC的實現是採用Train GC算法。它的基本想法就是，將堆中的全部對象按照建立和使用狀況進行分組（分層），將使用頻繁高和具備相關性的對象放在一隊中，隨着程序的運行，不斷對組進行調整。當GC運行時，它老是先回收最老的（最近不多訪問的）的對象，若是整組都爲可回收對象，GC將整組回收。這樣，每次GC運行只回收必定比例的不可達對象，保證程序的順暢運行。

詳解finalize函數

finalize是位於Object類的一個方法，該方法的訪問修飾符爲protected，因爲全部類爲Object的子類，所以用戶類很容易訪問到這個方法。因爲，finalize函數沒有自動實現鏈式調用，咱們必須手動的實現，所以finalize函數的最後一個語句一般是super.finalize（）。經過這種方式，咱們能夠實現從下到上實現finalize的調用，即先釋放本身的資源，而後再釋放父類的資源。

根據Java語言規範，JVM保證調用finalize函數以前，這個對象是不可達的，可是JVM不保證這個函數必定會被調用。另外，規範還保證finalize函數最多運行一次。

不少Java初學者會認爲這個方法相似與C++中的析構函數，將不少對象、資源的釋放都放在這一函數裏面。其實，這不是一種很好的方式。緣由有三，其一，GC爲了可以支持finalize函數，要對覆蓋這個函數的對象做不少附加的工做。其二，在finalize運行完成以後，該對象可能變成可達的，GC還要再檢查一次該對象是不是可達的。所以，使用 finalize會下降GC的運行性能。其三，因爲GC調用finalize的時間是不肯定的，所以經過這種方式釋放資源也是不肯定的。

一般，finalize用於一些不容易控制、而且很是重要資源的釋放，例如一些I/O的操做，數據的鏈接。這些資源的釋放對整個應用程序是很是關鍵的。在這種狀況下，程序員應該以經過程序自己管理（包括釋放）這些資源爲主，以finalize函數釋放資源方式爲輔，造成一種雙保險的管理機制，而不該該僅僅依靠finalize來釋放資源。

下面給出一個例子說明，finalize函數被調用之後，仍然多是可達的，同時也可說明一個對象的finalize只可能運行一次。

 1 class MyObject{
 2 
 3 Test main; //記錄Test對象，在finalize中時用於恢復可達性
 4 
 5 public MyObject(Test t)
 6 
 7 {
 8 
 9 main=t; //保存Test 對象
10 
11 }
12 
13 protected void finalize()
14 
15 {
16 
17 main.ref=this;// 恢復本對象，讓本對象可達
18 
19 System.out.println(\"This is finalize\");//用於測試finalize只運行一次
20 
21 }
22 
23 }
24 
25 class Test {
26 
27 MyObject ref;
28 
29 public static void main(String[] args) {
30 
31 Test test=new Test();
32 
33 test.ref=new MyObject(test);
34 
35 test.ref=null; //MyObject對象爲不可達對象，finalize將被調用
36 
37 System.gc();
38 
39 if (test.ref!=null) System.out.println(\"My Object還活着\");
40 
41 }
42 
43 }
44 
45 運行結果：
46 
47 This is finalize
48 
49 MyObject還活着

 

此例子中，須要注意的是雖然MyObject對象在finalize中變成可達對象，可是下次回收時候，finalize卻再也不被調用，由於finalize函數最多隻調用一次。


程序如何與GC進行交互

Java2加強了內存管理功能，增長了一個java.lang.ref包，其中定義了三種引用類。這三種引用類分別爲SoftReference、WeakReference和 PhantomReference.經過使用這些引用類，程序員能夠在必定程度與GC進行交互，以便改善GC的工做效率。這些引用類的引用強度介於可達對象和不可達對象之間。

建立一個引用對象也很是容易，例如若是你須要建立一個Soft Reference對象，那麼首先建立一個對象，並採用普通引用方式（可達對象）；而後再建立一個SoftReference引用該對象；最後將普通引用設置爲null.經過這種方式，這個對象就只有一個Soft Reference引用。同時，咱們稱這個對象爲Soft Reference 對象。

Soft Reference的主要特色是據有較強的引用功能。只有當內存不夠的時候，才進行回收這類內存，所以在內存足夠的時候，它們一般不被回收。另外，這些引用對象還能保證在Java拋出OutOfMemory 異常以前，被設置爲null.它能夠用於實現一些經常使用圖片的緩存，實現Cache的功能，保證最大限度的使用內存而不引發OutOfMemory.如下給出這種引用類型的使用僞代碼；

 1 //申請一個圖像對象
 2 
 3 Image image=new Image();//建立Image對象
 4 
 5 …
 6 
 7 //使用 image
 8 
 9 …
10 
11 //使用完了image，將它設置爲soft 引用類型，而且釋放強引用；
12 
13 SoftReference sr=new SoftReference(image);
14 
15 image=null;
16 
17 …
18 
19 //下次使用時
20 
21 if (sr!=null) image=sr.get();
22 
23 else{
24 
25 //因爲GC因爲低內存，已釋放image，所以須要從新裝載；
26 
27 image=new Image();
28 
29 sr=new SoftReference(image);
30 
31 }

 

Weak引用對象與Soft引用對象的最大不一樣就在於：GC在進行回收時，須要經過算法檢查是否回收Soft引用對象，而對於Weak引用對象，GC老是進行回收。Weak引用對象更容易、更快被 GC回收。雖然，GC在運行時必定回收Weak對象，可是複雜關係的Weak對象羣經常須要好幾回GC的運行才能完成。Weak引用對象經常用於Map結構中，引用數據量較大的對象，一旦該對象的強引用爲null時，GC可以快速地回收該對象空間。

Phantom引用的用途較少，主要用於輔助 finalize函數的使用。Phantom對象指一些對象，它們執行完了finalize函數，併爲不可達對象，可是它們尚未被GC回收。這種對象能夠輔助finalize進行一些後期的回收工做，咱們經過覆蓋Reference的clear（）方法，加強資源回收機制的靈活性。

一些Java編碼的建議

根據GC的工做原理，咱們能夠經過一些技巧和方式，讓GC運行更加有效率，更加符合應用程序的要求。如下就是一些程序設計的幾點建議。

1.最基本的建議就是儘早釋放無用對象的引用。大多數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）後，自動設置爲null.咱們在使用這種方式時候，必須特別注意一些複雜的對象圖，例如數組，隊列，樹，圖等，這些對象之間有相互引用關係較爲複雜。對於這類對象，GC回收它們通常效率較低。若是程序容許，儘早將不用的引用對象賦爲null.這樣能夠加速GC的工做。

2.儘可能少用finalize函數。finalize函數是Java提供給程序員一個釋放對象或資源的機會。可是，它會加大GC的工做量，所以儘可能少採用finalize方式回收資源。

3.若是須要使用常用的圖片，可使用soft應用類型。它能夠儘量將圖片保存在內存中，供程序調用，而不引發OutOfMemory.

4.注意集合數據類型，包括數組，樹，圖，鏈表等數據結構，這些數據結構對GC來講，回收更爲複雜。另外，注意一些全局的變量，以及一些靜態變量。這些變量每每容易引發懸掛對象（dangling reference），形成內存浪費。

5.當程序有必定的等待時間，程序員能夠手動執行System.gc（），通知GC運行，可是Java語言規範並不保證GC必定會執行。使用增量式GC能夠縮短Java程序的暫停時間。