Java的GC工作原理

GC的基本原理

　　Java的内存管理实际上就是对象的管理，其中包括对象的分配和释 放。

　　对于程序员来说，分配对象使用new关键字；释放对象时，只要将对象所有引用赋值为null，让程序不能够再访问到这个对象，我们 称该对象为"不可达的".GC将负责回收所有"不可达"对象的内存空间。

　　对于GC来说，当程序员创建对象时，GC就开始监控这个对象的 地址、大小以及使用情况。通常，GC采用有向图的方式记录和管理堆（heap）中的所有对象（详见参考资料1）。通过这种方式确定哪些对象是"可达的"， 哪些对象是"不可达的".当GC确定一些对象为"不可达"时，GC就有责任回收这些内存空间。但是，为了保证GC能够在不同平台实现的问题，Java规范 对GC的很多行为都没有进行严格的规定。例如，对于采用什么类型的回收算法、什么时候进行回收等重要问题都没有明确的规定。因此，不同的JVM的实现者往 往有不同的实现算法。这也给Java程序员的开发带来行多不确定性。本文研究了几个与GC工作相关的问题，努力减少这种不确定性给Java程序带来的负面 影响。

• 增量式GC（IncrementalGC）

　 　GC在JVM中通常是由一个或一组进程来实现的，它本身也和用户程序一样占用heap空间，运行时也占用CPU.当GC进程运行时，应用程序停止运行。 因此，当GC运行时间较长时，用户能够感到Java程序的停顿，另外一方面，如果GC运行时间太短，则可能对象回收率太低，这意味着还有很多应该回收的对 象没有被回收，仍然占用大量内存。因此，在设计GC的时候，就必须在停顿时间和回收率之间进行权衡。一个好的GC实现允许用户定义自己所需要的设置，例如 有些内存有限有设备，对内存的使用量非常敏感，希望GC能够准确的回收内存，它并不在意程序速度的放慢。另外一些实时网络游戏，就不能够允许程序有长时间 的中断。增量式GC就是通过一定的回收算法，把一个长时间的中断，划分为很多个小的中断，通过这种方式减少GC对用户程序的影响。虽然，增量式GC在整体 性能上可能不如普通GC的效率高，但是它能够减少程序的最长停顿时间。

SunJDK提供的HotSpotJVM就能支持增量式 GC.HotSpotJVM缺省GC方式为不使用增量GC，为了启动增量GC，我们必须在运行Java程序时增加-Xincgc的参数。 HotSpotJVM增量式GC的实现是采用TrainGC算法。它的基本想法就是，将堆中的所有对象按照创建和使用情况进行分组（分层），将使用频繁高 和具有相关性的对象放在一队中，随着程序的运行，不断对组进行调整。当GC运行时，它总是先回收最老的（最近很少访问的）的对象，如果整组都为可回收对 象，GC将整组回收。这样，每次GC运行只回收一定比例的不可达对象，保证程序的顺畅运行。

　　详解finalize函数

　 　finalize是位于Object类的一个方法，该方法的访问修饰符为protected，由于所有类为Object的子类，因此用户类很容易访问到 这个方法。由于，finalize函数没有自动实现链式调用，我们必须手动的实现，因此finalize函数的最后一个语句通常是 super.finalize（）。通过这种方式，我们可以实现从下到上实现finalize的调用，即先释放自己的资源，然后再释放父类的资源。

　 　根据Java语言规范，JVM保证调用finalize函数之前，这个对象是不可达的，但是JVM不保证这个函数一定会被调用。另外，规范还保证 finalize函数最多运行一次。

　　很多Java初学者会认为这个方法类似与C 中的析构函数，将很多对象、资源的释放都放在这一函数里面。其实，这不是一种很好的方式。原因有三，其一，GC为了能够支持finalize函数，要对覆 盖这个函数的对象作很多附加的工作。其二，在finalize运行完成之后，该对象可能变成可达的，GC还要再检查一次该对象是否是可达的。因此，使用 finalize会降低GC的运行性能。其三，由于GC调用finalize的时间是不确定的，因此通过这种方式释放资源也是不确定的。

通 常，finalize用于一些不容易控制、并且非常重要资源的释放，例如一些I/O的操作，数据的连接。这些资源的释放对整个应用程序是非常关键的。在这 种情况下，程序员应该以通过程序本身管理（包括释放）这些资源为主，以finalize函数释放资源方式为辅，形成一种双保险的管理机制，而不应该仅仅依 靠finalize来释放资源。

　　下面给出一个例子说明，finalize函数被调用以后，仍然可能是可达的，同时也可说明一个对象的 finalize只可能运行一次。

　　需要注意的是虽然MyObject对象在finalize中变成可达对象，但是下次回收时 候，finalize却不再被调用，因为finalize函数最多只调用一次。

程序如何与GC进行交互

　　Java2增强了 内存管理功能，增加了一个java.lang.ref包，其中定义了三种引用类。这三种引用类分别为SoftReference、 WeakReference和PhantomReference.通过使用这些引用类，程序员可以在一定程度与GC进行交互，以便改善GC的工作效率。这 些引用类的引用强度介于可达对象和不可达对象之间。

　　创建一个引用对象也非常容易，例如如果你需要创建一个SoftReference对 象，那么首先创建一个对象，并采用普通引用方式（可达对象）；然后再创建一个SoftReference引用该对象；最后将普通引用设置为null.通过 这种方式，这个对象就只有一个SoftReference引用。同时，我们称这个对象为SoftReference对象。

　　 SoftReference的主要特点是据有较强的引用功能。只有当内存不够的时候，才进行回收这类内存，因此在内存足够的时候，它们通常不被回收。另 外，这些引用对象还能保证在Java抛出OutOfMemory异常之前，被设置为null.它可以用于实现一些常用图片的缓存，实现Cache的功能， 保证最大限度的使用内存而不引起OutOfMemory.以下给出这种引用类型的使用伪代码；

//申请一个图像对象　
Imageimage=newImage();//创建Image对象　
…　
//使用image　
…　
//使用完了image，将它设置为soft引用类型，并且释放强引用；　
SoftReferencesr=newSoftReference(image);　
image=null;　
…　
//下次使用时　
if(sr!=null)image=sr.get();　
else{　
//由于GC由于低内存，已释放image，因此需要重新装载；　
image=newImage();　
sr=newSoftReference(image);　
}

Weak引用对象与Soft引用对象的最大不同就在于：GC在进行回收时，需要通过算法检 查是否回收Soft引用对象，而 对于Weak引用对象，GC总是进行回收。Weak引用对象更容易、更快被GC回收。虽然，GC在运行时一定回收Weak对象，但是复杂关系的Weak对 象群常常需要好几次GC的运行才能完成。Weak引用对象常常用于Map结构中，引用数据量较大的对象，一旦该对象的强引用为null时，GC能够快速地 回收该对象空间。

　　Phantom引用的用途较少，主要用于辅助finalize函 数的使用。Phantom对象指一些对象，它们执行完了finalize函数，并为不可达对象，但是它们还没有被GC回收。这种对象可以辅助 finalize进行一些后期的回收工作，我们通过覆盖Reference的clear（）方法，增强资源回收机制的灵活性。

　　一些 Java编码的建议

　　根据GC的工作原理，我们可以通过一些技巧和方式，让GC运行更加有效率，更加符合应用程序的要求。以下就是一些程 序设计的几点建议。

　　1.最基本的建议就是尽早释放无用对象的引用。大多数程序员在使用临时变量的时候，都是让引用变量在退出活动域 （scope）后，自动设置为null.我们在使用这种方式时候，必须特别注意一些复杂的对象图，例如数组，队列，树，图等，这些对象之间有相互引用关系 较为复杂。对于这类对象，GC回收它们一般效率较低。如果程序允许，尽早将不用的引用对象赋为null.这样可以加速GC的工作。

　　2. 尽量少用finalize函数。finalize函数是Java提供给程序员一个释放对象或资源的机会。但是，它会加大GC的工作量，因此尽量少采用 finalize方式回收资源。

　　3.如果需要使用经常使用的图片，可以使用soft应用类型。它可以尽可能将图片保存在内存中，供程序 调用，而不引起OutOfMemory.

 

　　4.注意集合数据类型，包括数组，树，图，链表等数据结构，这些数据结构对 GC来说，回收更为复杂。另外，注意一些全局的变量，以及一些静态变量。这些变量往往容易引起悬挂对象（danglingreference），造成内存 浪费。

　　5.当程序有一定的等待时间，程序员可以手动执行System.gc（），通知GC运行，但是Java语言规范并不保证GC一定 会执行。使用增量式GC可以缩短Java程序的暂停时间。