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一個優秀Java程序員，必須瞭解Java內存模型、GC工作原理，以及如何優化GC的性能、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JVM內存模型、GC工作原理，以及GC的幾個關鍵問題進行探討，從GC角度提高Java程序的性能。
一、Java內存模型
按照官方的說法：Java 虛擬機具有一個堆，堆是運行時數據區域，所有類實例和數組的內存均從此處分配。
JVM主要管理兩種類型內存：堆和非堆，堆內存（Heap Memory）是在 Java 虛擬機啓動時創建，非堆內存(Non-heap Memory)是在JVM堆之外的內存。
簡單來說，堆是Java代碼可及的內存，留給開發人員使用的；非堆是JVM留給自己用的，包含方法區、JVM內部處理或優化所需的內存（如 JITCompiler，Just-in-time Compiler，即時編譯後的代碼緩存）、每個類結構（如運行時常數池、字段和方法數據）以及方法和構造方法的代碼。
JVM 內存包含如下幾個部分：
- 堆內存（Heap Memory）： 存放Java對象
- 非堆內存（Non-Heap Memory）： 存放類加載信息和其它meta-data
- 其它（Other）： 存放JVM 自身代碼等
在JVM啓動時，就已經保留了固定的內存空間給Heap內存，這部分內存並不一定都會被JVM使用，但是可以確定的是這部分保留的內存不會被其他進程使用，這部分內存大小由-Xmx 參數指定。而另一部分內存在JVM啓動時就分配給JVM，作爲JVM的初始Heap內存使用，這部分內存是由 -Xms 參數指定。
詳細配置文件目錄：eclipse/eclipse.ini
默認空餘堆內存小於40%時，JVM 就會增大堆直到-Xmx 的最大限制，可以由 -XX:MinHeapFreeRatio 指定。
默認空餘堆內存大於70%時，JVM 會減少堆直到-Xms的最小限制，可以由 -XX:MaxHeapFreeRatio 指定，詳見
可以通過 -XX:MaxPermSize 設置Non-Heap大小，詳細參見我的百度博客
二、Java內存分配
Java的內存管理實際上就是變量和對象的管理，其中包括對象的分配和釋放。
JVM內存申請過程如下：
- JVM 會試圖爲相關Java對象在Eden中初始化一塊內存區域
- 當Eden空間足夠時，內存申請結束；否則到下一步
- JVM 試圖釋放在Eden中所有不活躍的對象（這屬於1或更高級的垃圾回收）,釋放後若Eden空間仍然不足以放入新對象，則試圖將部分Eden中活躍對象放入Survivor區
- Survivor區被用來作爲Eden及OLD的中間交換區域，當OLD區空間足夠時，Survivor區的對象會被移到Old區，否則會被保留在Survivor區
- 當OLD區空間不夠時，JVM 會在OLD區進行完全的垃圾收集（0級）
- 完全垃圾收集後，若Survivor及OLD區仍然無法存放從Eden複製過來的部分對象，導致JVM無法在Eden區爲新對象創建內存區域，則出現”out of memory”錯誤
三、GC基本原理
GC（Garbage Collection)，是JAVA/.NET中的垃圾收集器。
Java是由C++發展來的，它擯棄了C++中一些繁瑣容易出錯的東西，引入了計數器的概念，其中有一條就是這個GC機制（C#借鑑了JAVA）
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。
四、GC分代劃分
JVM內存模型中Heap區分兩大塊，一塊是 Young Generation，另一塊是Old Generation
1） 在Young Generation中，有一個叫Eden Space的空間，主要是用來存放新生的對象，還有兩個Survivor Spaces（from、to），它們的大小總是一樣，它們用來存放每次垃圾回收後存活下來的對象。
2） 在Old Generation中，主要存放應用程序中生命週期長的內存對象。
3） 在Young Generation塊中，垃圾回收一般用Copying的算法，速度快。每次GC的時候，存活下來的對象首先由Eden拷貝到某個SurvivorSpace，當Survivor Space空間滿了後，剩下的live對象就被直接拷貝到OldGeneration中去。因此，每次GC後，Eden內存塊會被清空。
4） 在Old Generation塊中，垃圾回收一般用mark-compact的算法，速度慢些，但減少內存要求。
5） 垃圾回收分多級，0級爲全部(Full)的垃圾回收，會回收OLD段中的垃圾；1級或以上爲部分垃圾回收，只會回收Young中的垃圾，內存溢出通常發生於OLD段或Perm段垃圾回收後，仍然無內存空間容納新的Java對象的情況。
五、增量式GC
增量式GC（Incremental GC），是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，例如有些內存有限的設備，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快慢。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。
六、詳解函數finalize
finalize 是位於Object類的一個方法，詳見我的開源項目：src-jdk1.7.0_02
protected void finalize() throws Throwable { }
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
My Object還活着
此例子中需要注意，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。
七、GC程序交互
程序如何與GC進行交互呢？ Java2增強了內存管理功能，增加了一個java.lang.ref包，詳見我的開源項目：src-jdk1.7.0_02
其中定義了三種引用類。這三種引用類分別爲：SoftReference、 WeakReference、 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{
image=new Image(); //由於GC由於低內存，已釋放image，因此需要重新裝載；
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。
八、Java編程建議
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。