Java 内存模型及GC原理

一个优秀Java程序员，必须了解Java内存模型、GC工作原理，以及如何优化GC的性能、与GC进行有限的交互，有一些应用程序对性能要求较高，例如嵌入式系统、实时系统等，只有全面提升内存的管理效率，才能提高整个应用程序的性能。

本文将从JVM内存模型、GC工作原理，以及GC的几个关键问题进行探讨，从GC角度提高Java程序的性能。

 

一、Java内存模型

按照官方的说法：Java 虚拟机具有一个堆，堆是运行时数据区域，所有类实例和数组的内存均从此处分配。

JVM主要管理两种类型内存：堆和非堆，堆内存（Heap Memory）是在 Java 虚拟机启动时创建，非堆内存(Non-heap Memory)是在JVM在堆之外的内存。

简单来说，堆是Java代码可及的内存，留给开发人员使用的；非堆是JVM留给自己用的，包含方法区、JVM内部处理或优化所需的内存（如 JIT Compiler，Just-in-time Compiler，即时编译后的代码缓存）、每个类结构（如运行时常数池、字段和方法数据）以及方法和构造方法的代码。

JVM 内存包含如下几个部分：

• 堆内存（Heap Memory）： 存放Java对象
• 非堆内存（Non-Heap Memory）： 存放类加载信息和其它meta-data
• 其它（Other）： 存放JVM 自身代码等

在JVM启动时，就已经保留了固定的内存空间给Heap内存，这部分内存并不一定都会被JVM使用，但是可以确定的是这部分保留的内存不会被其他进程使用，这部分内存大小由-Xmx 参数指定。而另一部分内存在JVM启动时就分配给JVM，作为JVM的初始Heap内存使用，这部分内存是由 -Xms 参数指定。

 

详细配置文件目录：eclipse/eclipse.ini

默认空余堆内存小于40%时，JVM 就会增大堆直到-Xmx 的最大限制，可以由 -XX:MinHeapFreeRatio 指定。 

默认空余堆内存大于70%时，JVM 会减少堆直到-Xms的最小限制，可以由 -XX:MaxHeapFreeRatio 指定，详见

可以通过 -XX:MaxPermSize 设置Non-Heap大小，详细参见我的百度博客

 

 

二、Java内存分配

Java的内存管理实际上就是变量和对象的管理，其中包括对象的分配和释放。

JVM内存申请过程如下：

1. JVM 会试图为相关Java对象在Eden中初始化一块内存区域
2. 当Eden空间足够时，内存申请结束；否则到下一步
3. JVM 试图释放在Eden中所有不活跃的对象（这属于1或更高级的垃圾回收）,释放后若Eden空间仍然不足以放入新对象，则试图将部分Eden中活跃对象放入Survivor区
4. Survivor区被用来作为Eden及OLD的中间交换区域，当OLD区空间足够时，Survivor区的对象会被移到Old区，否则会被保留在Survivor区
5. 当OLD区空间不够时，JVM 会在OLD区进行完全的垃圾收集（0级）
6. 完全垃圾收集后，若Survivor及OLD区仍然无法存放从Eden复制过来的部分对象，导致JVM无法在Eden区为新对象创建内存区域，则出现”out of memory”错误

 

 

三、GC基本原理

GC（Garbage Collection)，是JAVA/.NET中的垃圾收集器。

Java是由C++发展来的，它摈弃了C++中一些繁琐容易出错的东西，引入了计数器的概念，其中有一条就是这个GC机制（C#借鉴了JAVA）

编 程人员容易出现问题的地方，忘记或者错误的内存回收会导致程序或系统的不稳定甚至崩溃，Java提供的GC功能可以自动监测对象是否超过作用域从而达到自 动回收内存的目的，Java语言没有提供释放已分配内存的显示操作方法。所以，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。 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。

 

 

四、GC分代划分

JVM内存模型中Heap区分两大块，一块是 Young Generation，另一块是Old Generation

1） 在Young Generation中，有一个叫Eden Space的空间，主要是用来存放新生的对象，还有两个Survivor Spaces（from,to），它们的大小总是一样，它们用来存放每次垃圾回收后存活下来的对象。

2） 在Old Generation中，主要存放应用程序中生命周期长的内存对象。

3） 在Young Generation块中，垃圾回收一般用Copying的算法，速度快。每次GC的时候，存活下来的对象首先由Eden拷贝到某个 SurvivorSpace, 当Survivor Space空间满了后, 剩下的live对象就被直接拷贝到OldGeneration中去。因此，每次GC后，Eden内存块会被清空。

4） 在Old Generation块中，垃圾回收一般用mark-compact的算法，速度慢些，但减少内存要求。
5） 垃圾回收分多级，0级为全部(Full)的垃圾回收，会回收OLD段中的垃圾；1级或以上为部分垃圾回收，只会回收Young中的垃圾，内存溢出通常发生于OLD段或Perm段垃圾回收后，仍然无内存空间容纳新的Java对象的情况。

 

 

五、增量式GC

增量式GC（Incremental GC），是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，例如有些内存有限的设备，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快慢。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。

Sun JDK提供的HotSpot JVM就能支持增量式GC。HotSpot JVM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。

HotSpot JVM增量式GC的实现是采用Train GC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。

 

 

六、详解函数finalize

finalize 是位于Object类的一个方法，详见我的开源项目：src-jdk1.7.0_02

protectedvoid finalize()throwsThrowable{}

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。

class MyObject {
    Test main;      // 记录Test对象，在finalize中时用于恢复可达性

    public MyObject(Test t) {
        main = t;   // 保存Test 对象
    }

    protected void finalize() {
        main.ref = this;    // 恢复本对象，让本对象可达
        System.out.println("This is finalize");     // 用于测试finalize只运行一次
    }
}

class Test {
    MyObject ref;

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        test.ref = new MyObject(test);
        test.ref = null;    // MyObject对象为不可达对象，finalize将被调用
        System.gc();
        if (test.ref != null)
            System.out.println("My Object还活着");
    }
}

运行结果：

　　This is finalize

　　My Object还活着

此例子中需要注意，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。

 

 

七、GC程序交互

程序如何与GC进行交互呢？ Java2增强了内存管理功能，增加了一个java.lang.ref包，详见我的开源项目：src-jdk1.7.0_02

其中定义了三种引用类。这三种引用类分别为：SoftReference、 WeakReference、 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Soft Reference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Soft Reference引用。同时，我们称这个对象为Soft Reference 对象。

Soft Reference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
　Image image=new Image();       // 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；
　SoftReference sr=new SoftReference(image);
　image=null;
　…
　// 下次使用时
　if (sr!=null)
    image=sr.get();
　else{
　       image=new Image();  //由于GC由于低内存，已释放image，因此需要重新装载；
　       sr=new SoftReference(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。

 

 

八、Java编程建议

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。一些关于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（dangling reference），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。

 

 

 

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