java — 垃圾回收

1. 垃圾回收的意义

  在java中,当没有对象指向原先分配给某个对象的内存的时候,这片内存就变成了垃圾,JVM的一个系统级线程就会自动释放这个内存块,垃圾回收意味着程序不再需要的对象是“无用的信息”,这些信息会被丢弃。当一个对象不再被引用的时候,内存回收它所占用的空间,以便将空间用来存放后续的新对象。

  除了①释放没用的对象,垃圾回收还可以清除内存记忆碎片,由于创建对象和垃圾回收期释放丢弃对象所占的内存空间,内存会出现碎片,碎片是分配给对象的内存块之间的空闲内存洞。碎片整理将所占用的对内存移动到堆的一段,JVM将整理出的内存分配给新的对象。

  由于JVM的垃圾自动回收机制,减轻了编程的负担,提高了编程效率,在没有垃圾自动回收机制的情况下,想要理解存储器问题是非常困难的;其次是保护程序的完整性,垃圾回收是java语言安全性策略的一个重要部分。

2.垃圾回收算法分析

  任何一种垃圾回收算法一般要做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,使该空间可被程序再次使用。

  大多数的垃圾回收算法引入了根集(root set)的概念,所谓的根集指的是正在执行的java程序可以访问的引用变量的集合(包括局部变量、参数和类变量),程序可以使用引用变了访问对象的属性和调用对象的方法。垃圾回收首先需要确定从根开始哪些是可达的和哪些是不可达的,从根集可达的对象都是活动对象,它们不能作为垃圾回收(包括间接可达的对象),而根集通过任意路径都不可达的对象符合垃圾回收的条件。

①引用计数法

引用计数法是唯一一个没有使用根集的垃圾回收的方法,该算法使用引用计数器来区分存活对象和不再使用的对象。一般来说,堆中每个对象对应一个引用计数器,当每一次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的时候,引用计数器每次加1,当对象出了作用域以后(该对象丢弃不能使用),引用计数器减1,一旦引用计数器为0,对象就满足了垃圾回收的条件

  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,适宜地必须实时运行的程序。但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,计数器加1,而每次现有对象出了作用域生,计数器减1。

②tracing算法(Tracing Collector)

  tracing算法是为了解决引用计数器的问题而提出的,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,并用某种方法标识这些可达对象,例如对每个可达对象设置一个或者多个位。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。

③compacting算法(Compacting Collector)

  为了解决堆碎片问题,基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting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一个相邻的空闲内存区,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。

④copying算法(Coping Collector)

该算法的提出是为了克服句柄的开销和解决堆碎片的垃圾回收。它开始的时候,将堆分成一个对象区和多个空闲区,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,它将堆分成对象区和空闲区域区,在对象区与空闲区域的切换过程中,程序暂停执行

⑤adaptive算法(Adaptive Collector)

  在特定的情况下,一些垃圾收集算法会优于其它算法。基于Adaptive算法的垃圾收集器就是监控当前堆的使用情况,并将选择适当算法的垃圾收集器。

3.System.gc()方法

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。

  gc()函数的作用只是提醒虚拟机:程序员希望进行一次垃圾回收。但是它不能保证垃圾回收一定会进行,而且具体什么时候进行是取决于具体的虚拟机的,不同的虚拟机有不同的对策。

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心释放资源,这个方法就是finalize()。它的原型为: protected void finalize() throws Throwable

  在finalize()方法返回之后,对象消失,垃圾收集开始执行。原型中的throws 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(并非使用new方法)获得了一块“特殊”的内存区域,由于垃圾回收器只知道那些显示地经由new分配的内存空间,所以它不知道该如何释放这块“特殊”的内存区域,那么这个时候java允许在类中定义一个由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的通常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。       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,以及做一些清理工作。因为在JAVA中并没有提够像“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,如果不是明确地从屏幕上将其擦出,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,那么这个图像就会被一直保存下来。

  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的时候,才会真正释放这个对象所占用的内存空间。

  在普通的清除工作中,为清除一个对象,那个对象的用户必须在希望进行清除的地点调用一个清除方法。这与C++"析构函数"的概念稍有抵触。在C++中,所有对象都会破坏(清除)。或者换句话说,所有对象都"应该"破坏。若将C++对象创建成一个本地对象,比如在堆栈中创建(在Java中是不可能的,Java都在堆中),那么清除或破坏工作就会在"结束花括号"所代表的、创建这个对象的作用域的末尾进行。若对象是用new创建的(类似于Java),那么当程序员调用C++的 delete命令时(Java没有这个命令),就会调用相应的析构函数。若程序员忘记了,那么永远不会调用析构函数,我们最终得到的将是一个内存"漏洞",另外还包括对象的其他部分永远不会得到清除。

  相反,Java不允许我们创建本地(局部)对象--无论如何都要使用new。但在Java中,没有"delete"命令来释放对象,因为垃圾回收器会帮助我们自动释放存储空间。所以如果站在比较简化的立场,我们可以说正是由于存在垃圾回收机制,所以Java没有析构函数。然而,随着以后学习的深入,就会知道垃圾收集器的存在并不能完全消除对析构函数的需要,或者说不能消除对析构函数代表的那种机制的需要(原因见下一段。另外finalize()函数是在垃圾回收器准备释放对象占用的存储空间的时候被调用的,绝对不能直接调用finalize(),所以应尽量避免用它)。若希望执行除释放存储空间之外的其他某种形式的清除工作,仍然必须调用Java中的一个方法。它等价于C++的析构函数,只是没后者方便。

  在C++中所有的对象运用delete()一定会被销毁,而JAVA里的对象并非总会被垃圾回收器回收,即:

    1. 对象可能不被垃圾回收;

    2. 垃圾回收并不等于“析构”;

    3. 垃圾回收只与内存有关。

  也就是说,并不是如果一个对象不再被使用,是不是要在finalize()中释放这个对象中含有的其它对象呢?不是的。因为无论对象是如何创建的,垃圾回收器都会负责释放那些对象占有的内存。

5. 触发主GC(Garbage Collector)的条件

  JVM进行次GC的频率很高,但因为这种GC占用时间极短,所以对系统产生的影响不大。更值得关注的是主GC的触发条件,因为它对系统影响很明显。总的来说,有两个条件会触发主GC:

  1)当应用程序空闲时,即没有应用线程在运行时,GC会被调用。因为GC在优先级最低的线程中进行,所以当应用忙时,GC线程就不会被调用,但以下条件除外。

  2)Java堆内存不足时,GC会被调用。当应用线程在运行,并在运行过程中创建新对象,若这时内存空间不足,JVM就会强制地调用GC线程,以便回收内存用于新的分配。若GC一次之后仍不能满足内存分配的要求,JVM会再进行两次GC作进一步的尝试,若仍无法满足要求,则 JVM将报“out of memory”的错误,Java应用将停止。

  由于是否进行主GC由JVM根据系统环境决定,而系统环境在不断的变化当中,所以主GC的运行具有不确定性,无法预计它何时必然出现,但可以确定的是对一个长期运行的应用来说,其主GC是反复进行的。

6. 减少GC开销的措施

  根据上述GC的机制,程序的运行会直接影响系统环境的变化,从而影响GC的触发。若不针对GC的特点进行设计和编码,就会出现内存驻留等一系列负面影响。为了避免这些影响,基本的原则就是尽可能地减少垃圾和减少GC过程中的开销。具体措施包括以下几个方面:

(1)不要显式调用System.gc()

  此函数建议JVM进行主GC,虽然只是建议而非一定,但很多情况下它会触发主GC,从而增加主GC的频率,也即增加了间歇性停顿的次数。

(2)尽量减少临时对象的使用

  临时对象在跳出函数调用后,会成为垃圾,少用临时变量就相当于减少了垃圾的产生,从而延长了出现上述第二个触发条件出现的时间,减少了主GC的机会。

(3)对象不用时最好显式置为Null

  一般而言,为Null的对象都会被作为垃圾处理,所以将不用的对象显式地设为Null,有利于GC收集器判定垃圾,从而提高了GC的效率。

(4)尽量使用StringBuffer,而不用String来累加字符串

  由于String是固定长的字符串对象,累加String对象时,并非在一个String对象中扩增,而是重新创建新的String对象,如Str5=Str1+Str2+Str3+Str4,这条语句执行过程中会产生多个垃圾对象,因为对次作“+”操作时都必须创建新的String对象,但这些过渡对象对系统来说是没有实际意义的,只会增加更多的垃圾。避免这种情况可以改用StringBuffer来累加字符串,因StringBuffer是可变长的,它在原有基础上进行扩增,不会产生中间对象。

(5)能用基本类型如Int,Long,就不用Integer,Long对象

  基本类型变量占用的内存资源比相应对象占用的少得多,如果没有必要,最好使用基本变量。

(6)尽量少用静态对象变量

  静态变量属于全局变量,不会被GC回收,它们会一直占用内存。

(7)分散对象创建或删除的时间

  集中在短时间内大量创建新对象,特别是大对象,会导致突然需要大量内存,JVM在面临这种情况时,只能进行主GC,以回收内存或整合内存碎片,从而增加主GC的频率。集中删除对象,道理也是一样的。它使得突然出现了大量的垃圾对象,空闲空间必然减少,从而大大增加了下一次创建新对象时强制主GC的机会。

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