Java堆的管理--垃圾回收

　　引言

　　Java的堆是一個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū),類的實(shí)例(對象)從中分配空間。Java虛擬機(jī)(JVM)的堆中儲存著正在運(yùn)行的應(yīng)用程序所建立的所有對象，這些對象通過new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立，但是它們不需要程序代碼來顯式地釋放。一般來說，堆的是由垃圾回收 來負(fù)責(zé)的，盡管JVM規(guī)范并不要求特殊的垃圾回收技術(shù)，甚至根本就不需要垃圾回收，但是由于內(nèi)存的有限性，JVM在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候都有一個(gè)由垃圾回收所管理的堆。垃圾回收是一種動(dòng)態(tài)存儲管理技術(shù)，它自動(dòng)地釋放不再被程序引用的對象，按照特定的垃圾收集算法來實(shí)現(xiàn)資源自動(dòng)回收的功能。

　　垃圾收集的意義

　　在C++中，對象所占的內(nèi)存在程序結(jié)束運(yùn)行之前一直被占用，在明確釋放之前不能分配給其它對象；而在Java中，當(dāng)沒有對象引用指向原先分配給某個(gè)對象的內(nèi)存時(shí)，該內(nèi)存便成為垃圾。JVM的一個(gè)系統(tǒng)級線程會自動(dòng)釋放該內(nèi)存塊。垃圾收集意味著程序不再需要的對象是"無用信息"，這些信息將被丟棄。當(dāng)一個(gè)對象不再被引用的時(shí)候，內(nèi)存回收它占領(lǐng)的空間，以便空間被后來的新對象使用。事實(shí)上，除了釋放沒用的對象，垃圾收集也可以清除內(nèi)存記錄碎片。由于創(chuàng)建對象和垃圾收集器釋放丟棄對象所占的內(nèi)存空間，內(nèi)存會出現(xiàn)碎片。碎片是分配給對象的內(nèi)存塊之間的空閑內(nèi)存洞。碎片整理將所占用的堆內(nèi)存移到堆的一端，JVM將整理出的內(nèi)存分配給新的對象。

　　垃圾收集能自動(dòng)釋放內(nèi)存空間，減輕編程的負(fù)擔(dān)。這使Java 虛擬機(jī)具有一些優(yōu)點(diǎn)。首先，它能使編程效率提高。在沒有垃圾收集機(jī)制的時(shí)候，可能要花許多時(shí)間來解決一個(gè)難懂的存儲器問題。在用Java語言編程的時(shí)候，靠垃圾收集機(jī)制可大大縮短時(shí)間。其次是它保護(hù)程序的完整性, 垃圾收集是Java語言安全性策略的一個(gè)重要部份。

　　垃圾收集的一個(gè)潛在的缺點(diǎn)是它的開銷影響程序性能。Java虛擬機(jī)必須追蹤運(yùn)行程序中有用的對象, 而且最終釋放沒用的對象。這一個(gè)過程需要花費(fèi)處理器的時(shí)間。其次垃圾收集算法的不完備性，早先采用的某些垃圾收集算法就不能保證100%收集到所有的廢棄內(nèi)存。當(dāng)然隨著垃圾收集算法的不斷改進(jìn)以及軟硬件運(yùn)行效率的不斷提升，這些問題都可以迎刃而解。

　　垃圾收集的算法分析

　　Java語言規(guī)范沒有明確地說明JVM使用哪種垃圾回收算法，但是任何一種垃圾收集算法一般要做2件基本的事情：（1）發(fā)現(xiàn)無用信息對象；（2）回收被無用對象占用的內(nèi)存空間，使該空間可被程序再次使用。

　　大多數(shù)垃圾回收算法使用了根集(root set)這個(gè)概念；所謂根集就量正在執(zhí)行的Java程序可以訪問的引用變量的集合(包括局部變量、參數(shù)、類變量)，程序可以使用引用變量訪問對象的屬性和調(diào)用對象的方法。垃圾收集首選需要確定從根開始哪些是可達(dá)的和哪些是不可達(dá)的，從根集可達(dá)的對象都是活動(dòng)對象，它們不能作為垃圾被回收，這也包括從根集間接可達(dá)的對象。而根集通過任意路徑不可達(dá)的對象符合垃圾收集的條件，應(yīng)該被回收。下面介紹幾個(gè)常用的算法。

　　1、引用計(jì)數(shù)法(Reference Counting Collector)

　　引用計(jì)數(shù)法是唯一沒有使用根集的垃圾回收得法，該算法使用引用計(jì)數(shù)器來區(qū)分存活對象和不再使用的對象。一般來說，堆中的每個(gè)對象對應(yīng)一個(gè)引用計(jì)數(shù)器。當(dāng)每一次創(chuàng)建一個(gè)對象并賦給一個(gè)變量時(shí)，引用計(jì)數(shù)器置為1。當(dāng)對象被賦給任意變量時(shí)，引用計(jì)數(shù)器每次加1。當(dāng)對象出了作用域后(該對象丟棄不再使用)，引用計(jì)數(shù)器減1，一旦引用計(jì)數(shù)器為0，對象就滿足了垃圾收集的條件。

　　基于引用計(jì)數(shù)器的垃圾收集器運(yùn)行較快，不會長時(shí)間中斷程序執(zhí)行，適宜地必須 實(shí)時(shí)運(yùn)行的程序。但引用計(jì)數(shù)器增加了程序執(zhí)行的開銷，因?yàn)槊看螌ο筚x給新的變量 ，計(jì)數(shù)器加1，而每次現(xiàn)有對象出了作用域生，計(jì)數(shù)器減1。

　　2、tracing算法(Tracing Collector)

　　tracing算法是為了解決引用計(jì)數(shù)法的問題而提出，它使用了根集的概念。基于tracing算法的垃圾收集器從根集開始掃描，識別出哪些對象可達(dá)，哪些對象不可達(dá)，并用某種方式標(biāo)記可達(dá)對象，例如對每個(gè)可達(dá)對象設(shè)置一個(gè)或多個(gè)位。在掃描識別過程中，基于tracing算法的垃圾收集也稱為標(biāo)記和清除(mark-and-sweep)垃圾收集器.

　　3、compacting算法(Compacting Collector)

　　為了解決堆碎片問題，基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想，在清除的過程中，算法將所有的對象移到堆的一端，堆的另一端就變成了一個(gè)相鄰的空閑內(nèi)存區(qū)，收集器會對它移動(dòng)的所有對象的所有引用進(jìn)行更新，使得這些引用 在新的位置能識別原來 的對象。在基于Compacting算法的收集器的實(shí)現(xiàn)中，一般增加句柄和句柄表。

　　4、coping算法(Coping Collector)

　　該算法的提出是為了克服句柄的開銷和解決堆碎片的垃圾回收。它開始時(shí)把堆分成 一個(gè)對象 面和多個(gè)空閑面， 程序從對象面為對象分配空間，當(dāng)對象滿了，基于coping算法的垃圾 收集就從根集中掃描活動(dòng)對象，并將每個(gè) 活動(dòng)對象復(fù)制到空閑面(使得活動(dòng)對象所占的內(nèi)存之間沒有空閑洞)，這樣空閑面變成了對象面，原來的對象面變成了空閑面，程序會在新的對象面中分配內(nèi)存。

　　一種典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它將堆分成對象面和空閑區(qū)域面，在對象面與空閑區(qū)域面的切換過程中，程序暫停執(zhí)行。

　　5、generation算法(Generational Collector)

　　stop-and-copy垃圾收集器的一個(gè)缺陷是收集器必須復(fù)制所有的活動(dòng)對象，這增加了程序等待時(shí)間，這是coping算法低效的原因。在程序設(shè)計(jì)中有這樣的規(guī)律：多數(shù)對象存在的時(shí)間比較短，少數(shù)的存在時(shí)間比較長。因此，generation算法將堆分成兩個(gè)或多個(gè)，每個(gè)子堆作為對象的一代(generation)。由于多數(shù)對象存在的時(shí)間比較短，隨著程序丟棄不使用的對象，垃圾收集器將從最年輕的子堆中收集這些對象。在分代式的垃圾收集器運(yùn)行后，上次運(yùn)行存活下來的對象移到下一最高代的子堆中，由于老一代的子堆不會經(jīng)常被回收，因而節(jié)省了時(shí)間。

　　6、adaptive算法(Adaptive Collector)

　　在特定的情況下，一些垃圾收集算法會優(yōu)于其它算法�；�于Adaptive算法的垃圾收集器就是監(jiān)控當(dāng)前堆的使用情況，并將選擇適當(dāng)算法的垃圾收集器。

　　 透視Java垃圾回收

　　1、命令行參數(shù)透視垃圾收集器的運(yùn)行

　　使用System.gc()可以不管JVM使用的是哪一種垃圾回收的算法，都可以請求Java的垃圾回收。在命令行中有一個(gè)參數(shù)-verbosegc可以查看Java使用的堆內(nèi)存的情況，它的格式如下：

　　java -verbosegc classfile

　　可以看個(gè)例子：

　　class TestGC
　　{
　　public static void main(String[] args)
　　{
　　new TestGC();
　　System.gc();
　　System.runFinalization();
　　}
　　}

　　在這個(gè)例子中，一個(gè)新的對象被創(chuàng)建，由于它沒有使用，所以該對象迅速地變?yōu)榭蛇_(dá)，程序編譯后，執(zhí)行命令： java -verbosegc TestGC 后結(jié)果為：

　　[Full GC 168K->97K(1984K), 0.0253873 secs]

　　機(jī)器的環(huán)境為，Windows 2000 + JDK1.3.1,箭頭前后的數(shù)據(jù)168K和97K分別表示垃圾收集GC前后所有存活對象使用的內(nèi)存容量，說明有168K-97K=71K的對象容量被回收，括號內(nèi)的數(shù)據(jù)1984K為堆內(nèi)存的總?cè)萘�，收集所需要的時(shí)間是0.0253873秒（這個(gè)時(shí)間在每次執(zhí)行的時(shí)候會有所不同）。

　　2、finalize方法透視垃圾收集器的運(yùn)行

　　在JVM垃圾收集器收集一個(gè)對象之前 ，一般要求程序調(diào)用適當(dāng)?shù)姆椒ㄡ尫刨Y源，但在沒有明確釋放資源的情況下，Java提供了缺省機(jī)制來終止化該對象心釋放資源，這個(gè)方法就是finalize（）。它的原型為：

　　protected void finalize() throws Throwable

　　在finalize()方法返回之后，對象消失，垃圾收集開始執(zhí)行。原型中的throws Throwable表示它可以拋出任何類型的異常。

　　之所以要使用finalize()，是由于有時(shí)需要采取與Java的普通方法不同的一種方法，通過分配內(nèi)存來做一些具有C風(fēng)格的事情。這主要可以通過"固有方法"來進(jìn)行，它是從Java里調(diào)用非Java方法的一種方式。C和C++是目前唯一獲得固有方法支持的語言。但由于它們能調(diào)用通過其他語言編寫的子程序，所以能夠有效地調(diào)用任何東西。在非Java代碼內(nèi)部，也許能調(diào)用C的malloc()系列函數(shù)，用它分配存儲空間。而且除非調(diào)用了free()，否則存儲空間不會得到釋放，從而造成內(nèi)存"漏洞"的出現(xiàn)。當(dāng)然，free()是一個(gè)C和C++函數(shù)，所以我們需要在finalize()內(nèi)部的一個(gè)固有方法中調(diào)用它。也就是說我們不能過多地使用finalize()，它并不是進(jìn)行普通清除工作的理想場所。

　　在普通的清除工作中，為清除一個(gè)對象，那個(gè)對象的用戶必須在希望進(jìn)行清除的地點(diǎn)調(diào)用一個(gè)清除方法。這與C++"破壞器"的概念稍有抵觸。在C++中，所有對象都會破壞（清除）�；蛘邠Q句話說，所有對象都"應(yīng)該"破壞。若將C++對象創(chuàng)建成一個(gè)本地對象，比如在堆棧中創(chuàng)建（在Java中是不可能的），那么清除或破壞工作就會在"結(jié)束花括號"所代表的、創(chuàng)建這個(gè)對象的作用域的末尾進(jìn)行。若對象是用new創(chuàng)建的（類似于Java），那么當(dāng)程序員調(diào)用C++的delete命令時(shí)（Java沒有這個(gè)命令），就會調(diào)用相應(yīng)的破壞器。若程序員忘記了，那么永遠(yuǎn)不會調(diào)用破壞器，我們最終得到的將是一個(gè)內(nèi)存"漏洞"，另外還包括對象的其他部分永遠(yuǎn)不會得到清除。

　　相反，Java不允許我們創(chuàng)建本地（局部）對象--無論如何都要使用new。但在Java中，沒有"delete"命令來釋放對象，因?yàn)槔�圾收集器會幫助我們自�?dòng)釋放存儲空間。所以如果站在比較簡化的立場，我們可以說正是由于存在垃圾收集機(jī)制，所以Java沒有破壞器。然而，隨著以后學(xué)習(xí)的深入，就會知道垃圾收集器的存在并不能完全消除對破壞器的需要，或者說不能消除對破壞器代表的那種機(jī)制的需要（而且絕對不能直接調(diào)用finalize()，所以應(yīng)盡量避免用它）。若希望執(zhí)行除釋放存儲空間之外的其他某種形式的清除工作，仍然必須調(diào)用Java中的一個(gè)方法。它等價(jià)于C++的破壞器，只是沒后者方便。

　　下面這個(gè)例子向大家展示了垃圾收集所經(jīng)歷的過程，并對前面的陳述進(jìn)行了總結(jié)。

　　class Chair {
　　static boolean gcrun = false;
　　static boolean f = false;
　　static int created = 0;
　　static int finalized = 0;
　　int i;
　　Chair() {
　　i = ++created;
　　if(created == 47)
　　　System.out.println("Created 47");
　　}
　　protected void finalize() {
　　if(!gcrun) {
　　　gcrun = true;
　　　System.out.println("Beginning to finalize after " + created + " Chairs have been created");
　　}
　　if(i == 47) {
　　　System.out.println("Finalizing Chair #47, " +"Setting flag to stop Chair creation");
　　　f = true;
　　}
　　finalized++;
　　if(finalized >= created)
　　　System.out.println("All " + finalized + " finalized");
　　}
　　}

　　public class Garbage {
　　public static void main(String[] args) {
　　if(args.length == 0) {
　　　System.err.println("Usage: " + "java Garbage before or: " + "java Garbage after");
　　　return;
　　}
　　while(!Chair.f) {
　　　new Chair();
　　　new String("To take up space");
　　}
　　System.out.println("After all Chairs have been created: " + "total created = " + Chair.created +
　　", total finalized = " + Chair.finalized);
　　if(args[0].equals("before")) {
　　　　System.out.println("gc():");
　　　　System.gc();
　　　　System.out.println("runFinalization():");
　　　　System.runFinalization();
　　}
　　System.out.println("bye!");
　　if(args[0].equals("after"))
　　　System.runFinalizersOnExit(true);
　　}
　　}


　　上面這個(gè)程序創(chuàng)建了許多Chair對象，而且在垃圾收集器開始運(yùn)行后的某些時(shí)候，程序會停止創(chuàng)建Chair。由于垃圾收集器可能在任何時(shí)間運(yùn)行，所以我們不能準(zhǔn)確知道它在何時(shí)啟動(dòng)。因此，程序用一個(gè)名為gcrun的標(biāo)記來指出垃圾收集器是否已經(jīng)開始運(yùn)行。利用第二個(gè)標(biāo)記f，Chair可告訴main()它應(yīng)停止對象的生成。這兩個(gè)標(biāo)記都是在finalize()內(nèi)部設(shè)置的，它調(diào)用于垃圾收集期間。另兩個(gè)static變量--created以及finalized--分別用于跟蹤已創(chuàng)建的對象數(shù)量以及垃圾收集器已進(jìn)行完收尾工作的對象數(shù)量。最后，每個(gè)Chair都有它自己的（非static）int i，所以能跟蹤了解它具體的編號是多少。編號為47的Chair進(jìn)行完收尾工作后，標(biāo)記會設(shè)為true，最終結(jié)束Chair對象的創(chuàng)建過程。（關(guān)于這個(gè)例子的更具體的分析和說明請參看《Java編程思想》的第四章）

　　 關(guān)于垃圾收集的幾點(diǎn)補(bǔ)充

　　經(jīng)過上述的說明，可以發(fā)現(xiàn)垃圾回收有以下的幾個(gè)特點(diǎn)：

　�。�1）垃圾收集發(fā)生的不可預(yù)知性：由于實(shí)現(xiàn)了不同的垃圾收集算法和采用了不同的收集機(jī)制，所以它有可能是定時(shí)發(fā)生，有可能是當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)空閑CPU資源時(shí)發(fā)生，也有可能是和原始的垃圾收集一樣，等到內(nèi)存消耗出現(xiàn)極限時(shí)發(fā)生，這與垃圾收集器的選擇和具體的設(shè)置都有關(guān)系。

　　（2）垃圾收集的精確性：主要包括2 個(gè)方面：（a）垃圾收集器能夠精確標(biāo)記活著的對象；（b）垃圾收集器能夠精確地定位對象之間的引用關(guān)系。前者是完全地回收所有廢棄對象的前提，否則就可能造成內(nèi)存泄漏。而后者則是實(shí)現(xiàn)歸并和復(fù)制等算法的必要條件。所有不可達(dá)對象都能夠可靠地得到回收，所有對象都能夠重新分配，允許對象的復(fù)制和對象內(nèi)存的縮并，這樣就有效地防止內(nèi)存的支離破碎。 （3）現(xiàn)在有許多種不同的垃圾收集器，每種有其算法且其表現(xiàn)各異，既有當(dāng)垃圾收集開始時(shí)就停止應(yīng)用程序的運(yùn)行，又有當(dāng)垃圾收集開始時(shí)也允許應(yīng)用程序的線程運(yùn)行，還有在同一時(shí)間垃圾收集多線程運(yùn)行。

　�。�4）垃圾收集的實(shí)現(xiàn)和具體的JVM 以及JVM的內(nèi)存模型有非常緊密的關(guān)系。不同的JVM 可能采用不同的垃圾收集，而JVM 的內(nèi)存模型決定著該JVM可以采用哪些類型垃圾收集�，F(xiàn)在，HotSpot 系列JVM中的內(nèi)存系統(tǒng)都采用先進(jìn)的面向?qū)ο蟮目蚣茉O(shè)計(jì)，這使得該系列JVM都可以采用最先進(jìn)的垃圾收集。

　�。�5）隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代垃圾收集技術(shù)提供許多可選的垃圾收集器，而且在配置每種收集器的時(shí)候又可以設(shè)置不同的參數(shù)，這就使得根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境獲得最優(yōu)的應(yīng)用性能成為可能。

　　針對以上特點(diǎn)，我們在使用的時(shí)候要注意：

　�。�1）不要試圖去假定垃圾收集發(fā)生的時(shí)間，這一切都是未知的。比如，方法中的一個(gè)臨時(shí)對象在方法調(diào)用完畢后就變成了無用對象，這個(gè)時(shí)候它的內(nèi)存就可以被釋放。

　　（2）Java中提供了一些和垃圾收集打交道的類，而且提供了一種強(qiáng)行執(zhí)行垃圾收集的方法--調(diào)用System.gc()，但這同樣是個(gè)不確定的方法。Java 中并不保證每次調(diào)用該方法就一定能夠啟動(dòng)垃圾收集，它只不過會向JVM發(fā)出這樣一個(gè)申請，到底是否真正執(zhí)行垃圾收集，一切都是個(gè)未知數(shù)。

　�。�3）挑選適合自己的垃圾收集器。一般來說，如果系統(tǒng)沒有特殊和苛刻的性能要求，可以采用JVM的缺省選項(xiàng)。否則可以考慮使用有針對性的垃圾收集器，比如增量收集器就比較適合實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)之中。系統(tǒng)具有較高的配置，有比較多的閑置資源，可以考慮使用并行標(biāo)記/清除收集器。

　�。�4）關(guān)鍵的也是難把握的問題是內(nèi)存泄漏。良好的編程習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木幊虘B(tài)度永遠(yuǎn)是最重要的，不要讓自己的一個(gè)小錯(cuò)誤導(dǎo)致內(nèi)存出現(xiàn)大漏洞。

　�。�5）盡早釋放無用對象的引用。大多數(shù)程序員在使用臨時(shí)變量的時(shí)候，都是讓引用變量在退出活動(dòng)域(scope)后，自動(dòng)設(shè)置為null，暗示垃圾收集器來收集該對象，還必須注意該引用的對象是否被監(jiān)聽，如果有，則要去掉監(jiān)聽器，然后再賦空值。

　　結(jié)束語

　　一般來說，Java開發(fā)人員可以不重視JVM中堆內(nèi)存的分配和垃圾處理收集，但是，充分理解Java的這一特性可以讓我們更有效地利用資源。同時(shí)要注意finalize()方法是Java的缺省機(jī)制，有時(shí)為確保對象資源的明確釋放，可以編寫自己的finalize方法。