java 垃圾回收机制

1.垃圾回收的意义

     在C++中，new出来的对象所占用的内存（堆）在程序运行结束之前一直被占用着，这就导致这块内存不能被其他对象使用；而在java中，当new 出来的对象没有被引用变量引用时，这个对象所占用的内存将会成为垃圾。JVM的一个系统级线程会自动释放该内存。垃圾回收就意味着程序不再需要的对象将会是“无用信息”，这些信息将被丢弃。当一个对象不再被使用时，JVM会回收该对象所占用的内存，以便这块内存给后来的新对象使用。事实上，除了释放没用的对象，拉圾回收也可以清除“内存记录碎片”。由于new一个对象和JVM回收释放丢弃该对象时，内存中会出现碎片。

     碎片是分配给对象的内存块之间的空闲内存洞（即用于分隔出各个内存块）。碎片整理将所占用的堆内存移动堆的一端，JVM将整理出来的内存分配给新的对象。

     java JVM优点：能自动释放内存空间，减轻编程的负担。

     java JVM缺点：1、垃圾回收会影响程序的性能，java JVM必须追踪运行程序中所有的对象，而且最终要释放没用的对象。这一过程需要花费时间处理。

                             2、垃圾回收算法不完备性，不能保证100%收集到所有的废弃堆内存。

 

2.垃圾收集的算法分析

      垃圾回收算法一般都是干2件基本的事情：（1）发现无用信息对象；（2）回收被无用对象占用的内存空间，使该内存能被程序再次使用

   大多数垃圾回收算法使用了根集(root set)这个概念；所谓根集就是正在运行的java程序能访问的引用变量集合。程序可以使用引用变量访问对象的属性和方法。垃圾回收首先需要确定从根开始知道哪些是可达的（可达对象都是活动对象，它们不能作为垃圾被回收），哪些是不可达的（即没有引用变量引用的对象，已沦为垃圾）。以下为几个常用的算法。

     2.1引用计数法（是从对象为出发点）

引用计数法是唯一没有使用根集的垃圾回收法，该算法使用“引用计数器来区分存活对象和不再使用对象”。一般来说，堆中的每个对象对应一个引用计数器。每当创建一个对象并赋值给一个变量时，引用计数器置为1.当对象被赋给任意变量时，引用计数器每次都加1，当对象出了作用域后（该对象丢弃不再使用），引用计数器减1，一旦引用计数器为0，对象就满足了垃圾收集的条件。

 

     优点：基于引用计数器的垃圾收集器运行较快，不会长时间中断程序执行

     缺点：引用计数器增加了程序执行的开销，因为每次对象赋给新的变量，计数器就加1，每次出了作用域就减1.

 

    2.2 tracing算法（Tracing Collector  是从引用变量集合为出发点，即根集） 

     tracing(追踪)算法是为了解决引用计数法的问题而提出的，它使用了根集的概念。基于tracing算法的垃圾收集器从根集开始扫描，识别出哪些对象可达，哪些对象不可达，并用某种方式标记可达对象，例如对每个可达对象设置一个或多个位。在扫描识别过程中，基于tracing算法的垃圾收集也称为“标记和清除（mark-and-sweep）”垃圾收集器

 

     2.3compacting算法（Compacting Collector，基于tracing基础上，移动了对象）

     为了解决堆碎片问题，基于tracing的垃圾回收吸收了compacting(压缩)算法的思想，在清除的过程中，算法将所有的对象移到堆的一端，堆的另一端就变成了相邻的空闲内存区，收集器会对它移动的所有对象的所有引用进行更新，使得这些引用 在新的位置能识别原来的对象。在基于Compacting算法的收集器的实现中，一般增加句柄和句柄表。

 

     注：句柄是一个整数值，即一个4字节（64位程序中为8字节）长的数值，是整个windows系统中用于对应用程序的唯一标识符，类似id,以标识应用程序中的不同对象和同类对象中的不同的实例（对象），如一个窗口，按钮，图标，流动条等，应用程序能够通过句柄访问相应对象的信息。但句柄不是一个指针。

 

     句柄的由来：windows之所以要设立句柄，根本上内存管理机制的问题--虚拟机。简而言之数据的地址需要变动，变动以后就需要有人来记录管理变动（就好像户籍管理一样），因此系统用句柄来记载数据地址的变更。

 

     2.4 copying算法（Coping Collector）

     该算法的提出是为了克服句柄的开销，以及解决堆碎片的垃圾回收。它开始时把堆分成一个对和多个空闲区，程序从对象区为对象分配空间，当对象满了，基于coping算法的垃圾回收就从根集中扫描活动对象，并将每个活动对象复制到空闲区（使得活动对象所占的内存之间没有空闲间隔），这样空闲区变成了对象区，原来的对象区变成了空闲区，程序会在新的对象区中分配内存。

 

      一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它将堆分成对象区与空闲区，在对象区与空闲区的切换的切换过程中，程序暂停执行。

 

     2.5 generation算法（Generation Collector）

     stop-and-copy垃圾收集器的一个缺陷是收集器必须复制所有的活动对象，这增加了程序等待时间，这是coping算法低效的原因。在程序设计中有这样的规律：多数对象存在的时间比较短，少数的存在时间比较长，因此，generation算法将堆分成2个或多个，每个子堆作为对象的一代（generation）。由于多数对象存在的时间比较短，随着程序丢弃不使用的对象，垃圾收集器将从最年轻的子堆中收集这些对象。在分代式的垃圾收集器运行后，上次运行存活下来的对象移到下一高代的子堆中，由于老一代的子堆不会经常被回收，因而节省了时间。

 

     2.6 adaptive算法（Adaptive Collector）

     在特定的情况下，一些垃圾收集算会优于其他算法，基于Adaptive算法的垃圾收集器就是监控当前堆的做事情情况，并将选择适当算法的垃圾收集器

 

3 System.gc()方法

     命令行参数透视垃圾收集器的运行

     不管JVM使用的是哪种垃圾回收的算法，都可调用System.gc()，将在调用System.gc()之前创建出来的对象实例进行垃圾回收。可在命令行使用参数-verbosegc查看java使用的堆内存的情况。它的格式如下：

   1)cd 到程序的 bin目录下

   2)java -verbosegc + 包名.classFile

 

如：

在命令行中运行如图所示:

在这个例子中，一个新的对象被创建，由于它没有使用，所以该对象迅速的变为不可达，程序编译后，执行命令：

java -verbosegc Demo.GcDemo后结果为：

[GC 281K->256K(53824K), 0.0009978 secs]
[Full GC 256K->161K(53824K), 0.0074452 secs]

 

注：箭头前后的数据281k与256k分别表示垃圾收集GC前后所有存活对象使用的内存容量，说明有281k-256k=25k的内存被释放出来了，括号内的53824K为堆内存的总容量，收集所需要花的时间是0.0074452秒。（这个时间在每次执行的时候都有所不同）

 

需要注意的是：调用System.gc()也仅仅是一个请求（建议）。JVM接受这个消息后，并不是立即做垃圾回收，而只是对几个垃圾回收算法做了加权，使垃圾回收操作容易发生，或提早发生，或回收较多而已。

 

4. finalize()方法

     在JVM垃圾回收器收集一个对象之前，一般要求程序调用适当的方法释放资源，但在没有明确释放资源的情况下，Java提供了缺省机制来终止该对象释放资源，这个方法就是finalize()（完成，结束），它的原型为：

     protected void finalize() throws Trowable

     在finalize()方法返回之后，对象消失，垃圾收集开始执行。原型中的throw Throwable表示它可以抛出任何类型的异常。

     

     之所以要使用finalize()，是存在着垃圾回收器不能处理的特殊情况。假定你的对象（并非是用new创建出来的对象实例），而是通过方法，或其他途径获取的对象，此对象会占一块“特殊”的内存区域，那么这个时候java允许在类中定位一个finalize()方法。

 

     特殊的区域例如：

          1） 由于在分配内存的时候可能采用了类似C语言的做法，而非Java通常用的new做法，这种情况主要发生在native method中，比如native method调用了 c/c++方法malloc()函数系列来分配存储空间，但是除非调用了free()函数，否则这些内存空间将不会得到释放，那么这个时候就可能造成内存泄漏。但是由于free()方法是在c/c++中的函数，所以finalize()中可以用本地方法来调用它，以释放这些“特殊”的内存空间。

          2）又或者打开的文件资源，这些资源不属于垃圾回收器的回收范围。

 

     内存泄漏：当创建出来的对象实例没有被引用变量引用时，此时该对象被沉为垃圾，但对象又没被回收掉，该现像称为内存泄漏。内存泄漏bug一般存在于“打开的文件资源”，没有关闭流，以及非new创建出来的对象没有调用native method调用finalize()方法。

 

     换言之，finalize()的主要用途是释放一些其他做法开辟的内存空间，因为在JAVA中没有提供像“析构”函数或者类似概念的函数，要做一些类似清理工作的时候，必须自己动手创建一个执行清理工作的普通方法，也就是override Object这个类中的finalize()方法。例如，假设某一个对象在创建过程中会将自己绘制到屏幕上，如果不是明确的从屏幕上将其擦掉，它可能永远都不会被清理。如果在finalize()加入某一种擦除功能，当GC工作时，finalize()得到了调用，图像就会被擦除。要是GC没有发生，那么这个图像就会一直被保存下来。

 

     一旦垃圾回收器准备好释放对象占用的存储空间，首先会去调用finalize()方法进行一些必要的清理工作。只有到下一次再进行垃圾回收动作时，才会真正释放这个对象所占用的内存空间。