深入淺析Java中GC的工作原理

深入淺析Java中GC的工作原理？很多新手對此不是很清楚，為了幫助大家解決這個難題，下面小編將為大家詳細講解，有這方面需求的人可以來學習下，希望你能有所收獲。

Java中GC的工作原理

引子：面試時被問到垃圾回收機制，只是粗略的講'程序員不能直接對內存操作，jvm負責對已經超過作用域的對象回收處理'，面官表情呆滯，也就沒再繼續深入。

轉文：

一個優秀的Java程序員必須了解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，最后提出一些Java程序設計建議，如何從GC角度提高Java程序的性能。

一、GC的基本原理：

GC是什么? 為什么要有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。

對于Java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為null，讓程序不能夠再訪問到這個對象，我們稱該對象為"不可達的".GC將負責回收所有"不可達"對象的內存空間。

對于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采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確定一些對象為"不可達"時，GC就有責任回收這些內存空間。但是，為了保證GC能夠在不同平臺實現的問題，Java規范對GC的很多行為都沒有進行嚴格的規定。例如，對于采用什么類型的回收算法、什么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。

二、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占用heap空間，運行時也占用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，這意味著還有很多應該回收的對象沒有被回收，仍然占用大量內存。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，它并不在意程序速度的放慢。另外一些實時網絡游戲，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，劃分為很多個小的中斷，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方式為不使用增量GC，為了啟動增量GC，我們必須在運行Java程序時增加-Xincgc的參數。HotSpot JVM增量式GC的實現是采用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，隨著程序的運行，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，如果整組都為可回收對象，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。

三、詳解finalize函數：

finalize 是位于Object類的一個方法，該方法的訪問修飾符為protected，由于所有類為Object的子類，因此用戶類很容易訪問到這個方法。由于，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函數的最后一個語句通常是 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，然后再釋放父類的資源。

根據Java語言規范，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，規范還保證finalize函數最多運行一次。

很多Java初學者會認為這個方法類似與C++中的析構函數，將很多對象、資源的釋放都放在這一函數里面。其實，這不是一種很好的方式。原因有三，其一，GC為了能夠支持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運行完成之后，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，由于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用于一些不容易控制、并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）這些資源為主，以finalize函數釋放資源方式為輔，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函數被調用以后，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中時用于恢復可達性        
 
  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");// 用于測試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對象為不可達對象，finalize將被調用        
    System.gc();  
    if (test.ref != null)  
      System.out.println("My Object還活著");  
  }  
}  
class MyObject  
{  
  Test main; // 記錄Test對象，在finalize中時用于恢復可達性    
 
  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");// 用于測試finalize只運行一次   
  }  
} 

運行結果：

This is finalize

MyObject還活著：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，因為finalize函數最多只調用一次。

四、Java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。這三種引用類分別為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于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，那么首先創建一個對象，并采用普通引用方式（可達對象）；然后再創建一個SoftReference引用該對象；最后將普通引用設置為null.通過這種方式，這個對象就只有一個Soft Reference引用。同時，我們稱這個對象為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，被設置為null.它可以用于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偽代碼；

// 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，將它設置為soft 引用類型，并且釋放強引用；  
SoftReference sr=new SoftReference(image); image=null;   
 …  
// 下次使用時  
if (sr!=null) image=sr.get();   
else{   
// 由于GC由于低內存，已釋放image，因此需要重新裝載；  
image=new Image(); sr=new SoftReference(image);  

// 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，將它設置為soft 引用類型，并且釋放強引用； 
SoftReference sr=new SoftReference(image); image=null;   
 … 
// 下次使用時 
if (sr!=null) image=sr.get();   
else{   
// 由于GC由于低內存，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于：GC在進行回收時，需要通過算法檢查是否回收Soft引用對象，而對于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，但是復雜關系的Weak對象群常常需要好幾次 GC的運行才能完成。Weak引用對象常常用于Map結構中，引用數據量較大的對象，一旦該對象的強引用為null時，GC能夠快速地回收該對象空間。

Phantom 引用的用途較少，主要用于輔助finalize函數的使用。Phantom對象指一些對象，它們執行完了finalize函數，并為不可達對象，但是它們還沒有被GC回收。這種對象可以輔助finalize進行一些后期的回收工作，我們通過覆蓋Reference的clear（）方法，增強資源回收機制的靈活性。

五、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。一些關于程序設計的幾點建議：

1.最基本的建議就是盡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）后，自動設置為 null.我們在使用這種方式時候，必須特別注意一些復雜的對象圖，例如數組，隊列，樹，圖等，這些對象之間有相互引用關系較為復雜。對于這類對象，GC 回收它們一般效率較低。如果程序允許，盡早將不用的引用對象賦為null.這樣可以加速GC的工作。

2.盡量少用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，因此盡量少采用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。它可以盡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，回收更為復雜。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語言規范并不保證GC一定會執行。使用增量式GC可以縮短Java程序的暫停時間。

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