《Java优化编程》之内存管理

在Java程序设计中，内存的申请、分配、释放都由JVM负责完成，因此开发人员就省去了这部分工作，不过这也意味着所开发的应用不是最优的。开发人员有必要对Java应用开发中与内存管理相关的技术做一定的了解。

      垃圾回收（Garbage Collection）是Java程序设计中内存管理的核心概念，那么在JVM运行环境中什么对象是垃圾呢？

定义如下：一个对象创建后被放置在JVM的对内存（heap）中，当永远不再引用这个对象时，它将被JVM在对内存中回收。被创建的对象不能再生，同时也没有办法通过程序语句释放它们。

我们也可以这样定义：当对象在JVM运行空间中无法通过根集合（Root set）到达时，这个对象就被称为垃圾对象。根集合是由类中的静态引用域与本地引用域组成的。

JVM管理的两种类型的内存：对内存（heap）和栈内存（stack）。堆内存主要用来存储程序在运行时创建或实例化的对象与变量，而栈内存则是用来存储程序代码中声明为静态（static）或（非静态）的方法。

堆内存（heap）通常被分成两个区域：新对象（new object）与老对象（old object）区域。

新对象区域又可以细分为三个小区域：伊甸园（Eden）区域、From区域与To区域。伊甸园区域用来保存新创建的对象，就像堆栈一样，当区域中的对象满了之后，JVM系统将做可达性测试，检测哪些对象由根集合出发是不可达的，这些对象就可被JVM回收，并且将其从伊甸园区域拷贝到To区域，此时一些对象将发生状态交换，有的对象就从To区域被转移到From区域，此时From区域就有了对象。

在老对象区域中的对象仍然会有一个较长的生命周期，但经过一段时间后，这些对象就会变成短命对象，也就是垃圾对象，从而被JVM回收，建议不要频繁地强制系统做垃圾回收，这样会影响系统的整体性能。

JVM中对象的生命周期大致可分为7个阶段：创建阶段（Creation）、应用阶段（Using）、不可视阶段（Invisible）、不可到达阶段（Unreachable）、可收集阶段（Collected）、终结阶段（Finalized）、释放阶段（Free）。

※     创建阶段

系统通过下面的步骤，完成创建对象的过程：

（1）       为对象分配存储空间。

（2）       开始构造对象。

（3）       递归调用其超类的构造方法。

（4）       进行对象实例初始化与变量初始化。

（5）       执行构造方法体。

创建对象时几个关键应用规则：

（1）       避免在循环体中创建对象，即使对象占用的内存空间不大。

（2）       尽量及时使对象符合垃圾回收标准。

（3）       不要采用过深的继承层次。

（4）       访问本地变量优于访问类中的变量。

※     应用阶段

在应用阶段，对象具备下列特征：

（1）       系统至少维护对象的一个强引用（Strong Reference）；

（2）       所有对该对象的引用全部是强引用，除非我们显示使用了软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）或虚引用（Phantom Reference）。

强引用是指JVM内存管理器从根引用集合（Root set）出发遍寻堆中所有到达对象的路径。当到达对象的任意路径都不含有引用对象时，这个对象的引用就被称为强引用。

软引用具有较强的引用功能，只有当内存不够的时候，才回收这类内存。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资源的缓存，实现Cache的功能，保证最大限度的试用内存而不引起OutOfMemory。但在某些时候对软引用的试用会降低应用程序的运行效率与性能。

弱引用对象与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引用对象常用于Map结构中，引用占用内存空间比较大的对象，一旦对象的强引用为null时，这个对象的引用就不存在了，GC能够快速回收该对象。

虚引用的用途较少，主要用于辅助finalize函数的使用。

※     不可视阶段

当一个对象处在不可视阶段，说明我们不能在其它区域的代码中引用它，此时应该主动将其设置为空，帮助JVM及时地发现这个垃圾对象，并且回收系统资源。

※     可收集阶段、终结阶段与释放阶段

对象可能处于三种情况：

（1）       回收器发现该对象已经不可到达。

（2）       Finalize方法已经被执行。

（3）       对象空间已被重用。

Java程序设计中有关内存管理的其它经验：

（1）       最基本的建议就是尽早释放无用对象的引用。

（2）       尽量少用finalize函数。

（3）       如果需要使用经常用大的图片，可以使用soft应用类型。

（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。另外注意一些全局变量，静态变量，这些变量往往容易造成不必要的内存资源浪费。

（5）       尽量避免在类的默认构造器中创建、初始化大量对象，防止在调用其自类的构造器时造成不必要的内存浪费。

（6）       尽量避免强制系统做垃圾回收，增长系统做垃圾回收的最终时间，降低系统性能。

（7）       尽量避免显示申请数组空间，当不得不显示地申请数组空间时尽量准确的估计出其合理值。

（8）       尽量在远程方法调用（RMI）类应用开发时使用瞬间值（transient）变量，除非远程调用端需要获取该瞬间值变量的值。

（9）       尽量在合适的场景下使用对象池技术以提高系统性能，缩减系统开销，但是要注意对象池的尺寸不宜过大，及时清除无效对象释放内存资源，综合考虑应用运行环境的内存资源限制，避免过高估计运行环境所提供内存资源的数量。


《Java优化编程》之表达式、语句与保留字

※静态代码块

有时候为了能在引用一个类的时候作一些必要的初始化工作，经常利用static关键字加入一些静态的代码块，完成这个超前功能。

    静态代码块对静态变量的应用在声明上存在先后顺序的限制，这与方法中引用变量的情况是不同的，在方法体中引用的变量在类文件前后声明没有限制，但是如果你试图在静态代码块中引用静态变量，就要考虑其声明的先后顺序的限定，在静态代码块中引用的静态变量必须在静态代码块之前声明。

    对静态变量的引用有下面的规则：

（1）    可以在非静态方法体中引用静态变量。

（2）    在静态方法体中不可以引用非静态变量。

（3）    可以在静态方法体中创建非静态变量。



※final关键字

    保留字final的应用范围：

（1）    用来声明类的变量。

（2）    用来声明方法的常量参数，对变量起到相应的保护作用，防止变量被无意赋值。

（3）    用来声明不可覆盖的方法，不但可以防止父类中的方法不被子类覆盖，还可以加快应用的运行速度，提高系统性能。

（4）    用来声明不可继承的类。



※使用循环语句的几个建议

（1）当做数组拷贝操作时，采用System.arraycopy()方法完成拷贝操作要比采用循环的办法完成数组拷贝操作效率高。

（2）尽量避免在循环体中调用方法，因为方法调用是比较昂贵的。

（3）最好避免在循环体内存取数组元素，比较好的办法是在循环体内采用临时变量，在循环体外更改数组的值。这是因为在循环体内使用变量比存取数组元素要快。

（4）当没有使用JIT或HotSpot虚拟机时，尽量使用0值作为终结条件的比较元素，以提高循环的性能。

（5）避免在最终条件比较时采用方法返回值的方式进行判断，这样做将增大系统开销，降低系统性能。

（6）尽量避免在循环体中使用try－catch块，最好在循环体外使用try－catch块以提高系统性能。

（7）在多重循环中，如果可能，尽量将最长的循环放在最内层，最短的循环放在最外层，以减少循环层间的切换次数。

（8）如果循环体内有if－else类逻辑判断，并且循环次数很大，最好将if－else类逻辑判断移到循环体之外，以提高应用性能。


《Java优化编程》之Java核心类与性能优化

一些散列表的核心类是线程安全的，如Vector类；一些核心类不是线程安全的，如ArrayList类。在多线程环境下，可以通过Collections.syschronizedList()方法来使用ArrayList等非线程安全的散列核心类。另在处理已知容量的较大数组时，应提前调用ensureCapacity()方法初始化ArrayList对象，以提高软件应用性能。

通过StringBuffer中的append()方法将字符串累加可以提高系统的性能，或者先创建一个字符数组，然后向其中添加字符，达到累加的目的，返回最终生成的字符串，前提是应该大体知道这个字符串的最大长度。使用charAt()方法获取特定位置的字符是非常耗时的，更好的办法是将字符串通过调用toCharArray()方法转化为字符数组，然后通过数组索引值获取指定位置的字符。

众所周知I/O操作非常耗时，无疑将在很大程度上降低了系统性能，但是Java语言提高了专门用来提高系统I/O效率的缓冲类，这好比在数据读取与写入时提供了一个临时的缓冲区，每次可以读取一个缓冲区大小的数据块，然后将这个数据块一次性写入到目标设备中。另可以定制缓冲区，以提高系统的性能。

《Java优化编程》之类与接口

※类构造器的编写规则

（1）避免在类的构造器中初始化其它类；

（2）不要给构造器误添加返回值；

（3）尽量避免在构造器中对静态变量做赋值操作；

（4）不要在类的构造器中创建类的实例；

※类的继承规则

（1）单线继承规则。C＋＋中类是可以多重继承的，而在Java语言中，一个类只能有一个父类，但接口却是可以多重继承德，这是Java语言中类与接口的重要区别。

（2）包内部继承规则。当一个类是另一个类的内部类时，或者一个类不想被所在包名称空间以外的成员访问时，不在类的声明中添加public关键字。内部类是Java语言特有的类型，其只能被主类以外的其它内部类继承，主类不能继承内部类。

※抽象类与接口的区别

共同点：

（1）抽象类和接口都不能被实例化；

（2）接口与抽象类都不可以独立运行，也就是说他们都不能作为应用的主类；

（3）接口可以有属性，抽象类也可以有属性；

不同点：

（1）接口中的所有属性与方法的声明都必须是public类型，除abstract方法外，抽象类的属性与方法既可以是public也可以是private或protected，abstract方法只能是public类型或者protected类型。

（2）接口中的方法不能有方法体，而抽象类中的方法是可以有方法体的，甚至是抽象方法。

（3）接口只能被类实现，而抽象类只能被继承；

（4）接口可以多重继承，而抽象类只能单线继承。

※内部类

内部类（Inner Class）是一种较为特殊的Java类形式，它嵌入一个主类中的类，属于类一部分。因此内部类可以直接访问主类中的私有成员，包括属性和方法。但是主类不能直接访问内部类中的任何成员，包括public、protected与private成员，但是主类可以通过创建内部类的实例对象，引用内部类中的任何成员。在内部类中不可以声明任何静态成员。内部类的一个典型应用是：在类中创建一个独立的线程类，然后调用主类的返回周期较长的方法经常用到。

※与性能相关的建议与经验

（1）避免复杂、昂贵的构造过程，例如一维数组比多维数组要快一些；

（2）内部类对象的创建相对一般类的实例化要复杂、耗时一些；

（3）在程序设计中尽量使用接口（Interface），因为接口的结构更容易被交换，以提高系统的性能；

（4）使用原数据类型的包装类比使用原数据要低效；

（5）最好把所有只进行一次初始化的变量，放在类构造器中一次性初始化；

（6）大多数的JVM在搜索接口列表时都是从后向前搜索的，因此经常用到的接口最好位于implements关键字列表的最后面。

（7）最好通过Class.forname()动态的装载类。

评论

1 楼 fxyc 2010-04-08  

很不错的一本书，我也在看，呵呵