自定義註釋

一個優秀的Java 程序員必須瞭解的GC 機制

一個優秀的Java 程序員必須瞭解GC 的 工作原理、如何優化GC 的性能、如何與GC 進 行有限的交互，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，只有全面提升內存的管理效率，才能提高整個應用程序的性能。本文將從GC 的工作原理、GC 的幾個關鍵問題進行 探討，最後提出一些Java 程序設計建議，如何從GC 角度提高Java 程序的性能。 

    GC 的基本原理 
   
    GC 是什麼? 爲什麼要有GC 呢? 
    GC 是垃圾收集的意思（Garbage Collection）,內存處理是編程人員容易出現問題的地方，忘記或者錯誤的內存回收會導致程序或系統的不穩定甚至崩潰，Java 提供的GC 功能可以自動監測對象是 否超過作用域從而達到自動回收內存的目的，Java 語言沒有提供釋放已分配內存的顯示操作方 法。 

    所以，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。 

    對於程序員來說，分配對象使用new關鍵字；釋放對象時，只要將對象所有引用賦值爲null，讓程序不能夠再訪問到這個對象，我們稱該對象爲"不可達 的".GC 將負責回收所有"不可達"對象的內存空間。 

    對於GC 來說，當程序員創建對象時，GC 就開始監控這個對象的地址、大小以及使用情況。通常，GC 採 用有向圖的方式記錄和管理堆（heap）中的所有對象。通過這種方式確定哪些對象是"可達的"，哪些對象是"不可達的".當GC 確定一些對象爲"不可達"時，GC 就有 責任回收這些內存空間。但是，爲了保證 GC 能夠在不同平臺實現的問題，Java 規範對GC 的很多行爲都沒有進行嚴 格的規定。例如，對於採用什麼類型的回收算法、什麼時候進行回收等重要問題都沒有明確的規定。因此，不同的JVM的實現者往往有不同的實現算法。這也給Java 程序員的開發帶來行多不確定性。本文研究了幾個與GC 工 作相關的問題，努力減少這種不確定性給Java 程序帶來的負面影響。 

    增量式GC （ Incremental GC ） 

    GC 在JVM中通常是由一個或一組進程來實現的，它本身也和用戶程序一樣佔用heap空間，運行時也佔用CPU.當GC 進程運行時，應用程序停止運行。因此，當GC 運 行時間較長時，用戶能夠感到Java 程序的停頓，另外一方面，如果GC 運行時間太短，則可能對象回收率太低，這意味着還有很多應該回收的對象沒有被回收，仍然佔用大量內 存。因此，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 實現允許用戶定義自己所需要的設置，例如有些內存有限有設備，對內存的使用量非常敏感，希望GC 能夠準確的回收內存，它並不在意程序速度的放慢。另外一些實時網絡遊戲，就不能夠允許程序有長時間 的中斷。增量式GC 就是通過一定的回收算法，把一個長時間的中斷，劃分爲很多個小的中斷，通 過這種方式減少GC 對用戶程序的影響。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 ，我們必須在運行Java 程 序時增加-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，將堆中的所有對象按照創建和使用情況進行分組（分層），將使用頻繁高和具 有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，它總是先回收 最老的（最近很少訪問的）的對象，如果整組都爲可回收對象，GC 將整組回收。這樣，每次GC 運行只回收一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，由於所有類爲Object的子類，因此用戶類很容易訪問到這個方法。由 於，finalize函數沒有自動實現鏈式調用，我們必須手動的實現，因此finalize函數的最後一個語句通常是 super.finalize（）。通過這種方式，我們可以實現從下到上實現finalize的調用，即先釋放自己的資源，然後再釋放父類的資源。 

    根據Java 語言規範，JVM保證調用finalize函數之前，這個對象 是不可達的，但是JVM不保證這個函數一定會被調用。另外，規範還保證finalize函數最多運行一次。 

    很多Java 初學者會認爲這個方法類似與C++中的析構函數，將很多對象、 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。原因有三，其一，GC 爲了能夠 支持finalize函數，要對覆蓋這個函數的對象作很多附加的工作。其二，在finalize運行完成之後，該對象可能變成可達的，GC 還要再檢查一次該對象是否是可達的。因此，使用 finalize會降低GC 的運行性能。其三，由於GC 調用 finalize的時間是不確定的，因此通過這種方式釋放資源也是不確定的。 

    通常，finalize用於一些不容易控制、並且非常重要資源的釋放，例如一些I/O的操作，數據的連接。這些資源的釋放對整個應用程序是非常關鍵的。在 這種情況下，程序員應該以通過程序本身管理（包括釋放）這些資源爲主，以finalize函數釋放資源方式爲輔，形成一種雙保險的管理機制，而不應該僅僅 依靠finalize來釋放資源。 

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

   

class MyObject{
    　　 Test main; //記錄Test對象，在finalize中時用於恢復可達性
    　　 public MyObject(Test t)
    　　 {
    　　    main=t; //保存Test 對象
    　　 }
    　　 protected void finalize()
    　　 {
    　　    main.ref=this;// 恢復本對象，讓本對象可達
    　　    System.out.println("This is finalize");//用於測試finalize只運行一次
    　　 }
}

    　　

class Test {
    　　 MyObject ref;
    　　 public static void main(String[] args)
        {
    　　    Test test=new Test();
    　　    test.ref=new MyObject(test);
    　　    test.ref=null; //MyObject對象爲不可達對象，finalize將被調用
    　　    System.gc();
    　　    if (test.ref!=null) System.out.println("My Object還活着");
    　　}
}

    　　運行結果： 
    This is finalize 

    MyObject還活着：此例子中，需要注意的是雖然MyObject對象在finalize中變成可達對象，但是下次回收時候，finalize卻不再 被調用，因爲finalize函數最多隻調用一次。 

    程序如何與GC 進行交互 

    Java2 增強了內存管理功能，增加了一個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.通過使用這些引用類，程序員可以在一定程度與GC 進行交 互，以便改善GC 的工作效率。這些引用類的引用強度介於可達對象和不可達對象之間。 

    創建一個引用對象也非常容易，例如如果你需要創建一個Soft Reference對象，那麼首先創建一個對象，並採用普通引用方式（可達對象）；然後再創建一個SoftReference引用該對象；最後將普通引用 設置爲null.通過這種方式，這個對象就只有一個Soft Reference引用。同時，我們稱這個對象爲Soft Reference 對象。 

    Soft Reference的主要特點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，因此在內存足夠的時候，它們通常不被回收。另外，這些引 用對象還能保證在Java 拋出OutOfMemory 異常之前，被設置爲null.它可以用於實現一些常用圖片的緩存，實現Cache的功能，保證最大限度的使用內存而不引起OutOfMemory.以下給 出這種引用類型的使用僞代碼； 



//申請一個圖像對象 
　　Image image=new Image();//創建Image對象 
　　… 
　　//使用 image 
　　… 
　　//使用完了image，將它設置爲soft 引用類型，並且釋放強引用； 
　　SoftReference sr=new SoftReference(image); 
　　image=null; 
　　 … 
　　 //下次使用時 
　　 if (sr!=null) image=sr.get(); 
　　 else{ 
　　 //由於GC 由於低內存，已釋放image，因此需要重新裝載； 
　　 image=new Image(); 
　　sr=new SoftReference(image); 
　　} 
    Weak 引用對象與Soft引用對象的最大不同就在於：GC 在進行回收 時，需要通過算法檢查是否回收Soft引用對象，而對於Weak引用對象，GC 總是進行回 收。Weak引用對象更容易、更快被GC 回收。雖然，GC 在運行時一定回收Weak對象，但是複雜關係的Weak對象羣常常需要好幾次 GC 的運行才能完成。Weak引用對象常常用於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 能夠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，但是它們 還沒有被GC 回收。這種對象可以輔助finalize進行一些後期的回收工作，我們通過覆蓋 Reference的clear（）方法，增強資源回收機制的靈活性。 



    一些Java 編程的建議 

    根據GC 的工作原理，我們可以通過一些技巧和方式，讓GC 運行更加有效率，更加符合應用程序的要求。一些關於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.我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 回收它們一般效率較低。如果程序允許，儘早將不用的引用對象賦爲null.這樣可以加速GC 的工作。 

　　2.儘量少用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。但是，它會加大GC的工作量，因此儘量少採用finalize 方式回收資源。 

　　3.如果需要使用經常使用的圖片，可以使用soft應用類型。它可以儘可能將圖片保存在內存中，供程序調用，而不引起 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 說，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。這些變量往往容易引起懸掛對象（dangling reference），造成內存浪費。 
　　5.當程序有一定的等待時間，程序員可以手動執行System.gc （），通知GC 運行，但是Java 語言規範並不保證GC 一定會執行。使用增量式GC 可以縮短Java 程序的暫停時間