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全面分析Java的垃圾回收机制

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bear_fish
发布2018-09-20 11:24:33
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发布2018-09-20 11:24:33
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【简 介】 Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间。Java虚拟机(JVM)的堆中储存着正在运行的应用程序所建立的所有对象,这些对象通过new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立,但是它们不需要程序代码来显式地释放。 引言    Java的堆是一个运行时数据区,类的实例(对象)从中分配空间。Java虚拟机(JVM)的堆中储存着正在运行的应用程序所建立的所有对象,这些对象通过new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立,但是它们不需要程序代码来显式地释放。一般来说,堆的是由垃圾回收 来负责的,尽管JVM规范并不要求特殊的垃圾回收技术,甚至根本就不需要垃圾回收,但是由于内存的有限性,JVM在实现的时候都有一个由垃圾回收所管理的堆。垃圾回收是一种动态存储管理技术,它自动地释放不再被程序引用的对象,按照特定的垃圾收集算法来实现资源自动回收的功能。    垃圾收集的意义    在C++中,对象所占的内存在程序结束运行之前一直被占用,在明确释放之前不能分配给其它对象;而在Java中,当没有对象引用指向原先分配给某个对象的内存时,该内存便成为垃圾。JVM的一个系统级线程会自动释放该内存块。垃圾收集意味着程序不再需要的对象是"无用信息",这些信息将被丢弃。当一个对象不再被引用的时候,内存回收它占领的空间,以便空间被后来的新对象使用。事实上,除了释放没用的对象,垃圾收集也可以清除内存记录碎片。由于创建对象和垃圾收集器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堆内存移到堆的一端,JVM将整理出的内存分配给新的对象。    垃圾收集能自动释放内存空间,减轻编程的负担。这使Java 虚拟机具有一些优点。首先,它能使编程效率提高。在没有垃圾收集机制的时候,可能要花许多时间来解决一个难懂的存储器问题。在用Java语言编程的时候,靠垃圾收集机制可大大缩短时间。其次是它保护程序的完整性, 垃圾收集是Java语言安全性策略的一个重要部份。    垃圾收集的一个潜在的缺点是它的开销影响程序性能。Java虚拟机必须追踪运行程序中有用的对象, 而且最终释放没用的对象。这一个过程需要花费处理器的时间。其次垃圾收集算法的不完备性,早先采用的某些垃圾收集算法就不能保证100%收集到所有的废弃内存。当然随着垃圾收集算法的不断改进以及软硬件运行效率的不断提升,这些问题都可以迎刃而解。    垃圾收集的算法分析    Java语言规范没有明确地说明JVM使用哪种垃圾回收算法,但是任何一种垃圾收集算法一般要做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。    大多数垃圾回收算法使用了根集(root set)这个概念;所谓根集就量正在执行的Java程序可以访问的引用变量的集合(包括局部变量、参数、类变量),程序可以使用引用变量访问对象的属性和调用对象的方法。垃圾收集首选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,它们不能作为垃圾被回收,这也包括从根集间接可达的对象。而根集通过任意路径不可达的对象符合垃圾收集的条件,应该被回收。下面介绍几个常用的算法。    1、 引用计数法(Reference Counting Collector)    引用计数法是唯一没有使用根集的垃圾回收的法,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,堆中的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。    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。    2、tracing算法(Tracing Collector)    tracing算法是为了解决引用计数法的问题而提出,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.    3、compacting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。    4、copying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。它开始时把堆分成 一个对象 面和多个空闲面, 程序从对象面为对象分配空间,当对象满了,基于coping算法的垃圾 收集就从根集中扫描活动对象,并将每个 活动对象复制到空闲面(使得活动对象所占的内存之间没有空闲洞),这样空闲面变成了对象面,原来的对象面变成了空闲面,程序会在新的对象面中分配内存。    一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法,它将堆分成对象面和空闲区域面,在对象面与空闲区域面的切换过程中,程序暂停执行。    5、generation算法(Generational 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算法将堆分成两个或多个,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最高代的子堆中,由于老一代的子堆不会经常被回收,因而节省了时间。    6、adaptive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。      透视Java垃圾回收   1、命令行参数透视垃圾收集器的运行   2、使用System.gc()可以不管JVM使用的是哪一种垃圾回收的算法,都可以请求Java的垃圾回收。在命令行中有一个参数-verbosegc可以查看Java使用的堆内存的情况,它的格式如下: java -verbosegc classfile   可以看个例子: class TestGC  {  public static void main(String[] args)   {   new TestGC();   System.gc();   System.runFinalization();  } }    在这个例子中,一个新的对象被创建,由于它没有使用,所以该对象迅速地变为可达,程序编译后,执行命令: java -verbosegc TestGC 后结果为: [Full GC 168K->97K(1984K), 0.0253873 secs]   机器的环境为,Windows 2000 + JDK1.3.1,箭头前后的数据168K和97K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168K-97K=71K的对象容量被回收,括号内的数据1984K为堆内存的总容量,收集所需要的时间是0.0253873秒(这个时间在每次执行的时候会有所不同)。   3、finalize方法透视垃圾收集器的运行   在JVM垃圾收集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化该对象心释放资源,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(),是由于有时需要采取与Java的普通方法不同的一种方法,通过分配内存来做一些具有C风格的事情。这主要可以通过"固有方法"来进行,它是从Java里调用非Java方法的一种方式。C和C++是目前唯一获得固有方法支持的语言。但由于它们能调用通过其他语言编写的子程序,所以能够有效地调用任何东西。在非Java代码内部,也许能调用C的malloc()系列函数,用它分配存储空间。而且除非调用了free(),否则存储空间不会得到释放,从而造成内存"漏洞"的出现。当然,free()是一个C和C++函数,所以我们需要在finalize()内部的一个固有方法中调用它。也就是说我们不能过多地使用finalize(),它并不是进行普通清除工作的理想场所。   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++"破坏器"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),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),就会调用相应的破坏器。若程序员忘记了,那么永远不会调用破坏器,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,因为垃圾收集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收集机制,所以Java没有破坏器。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破坏器的需要,或者说不能消除对破坏器代表的那种机制的需要(而且绝对不能直接调用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++的破坏器,只是没后者方便。   下面这个例子向大家展示了垃圾收集所经历的过程,并对前面的陈述进行了总结。 class Chair {  static boolean gcrun = false;  static boolean f = false;  static int created = 0;  static int finalized = 0;  int i;  Chair() {   i = ++created;   if(created == 47)     System.out.println("Created 47");  }  protected void finalize() {   if(!gcrun) {    gcrun = true;    System.out.println("Beginning to finalize after " + created + " Chairs have been created");   }   if(i == 47) {    System.out.println("Finalizing Chair #47, " +"Setting flag to stop Chair creation");    f = true;   }   finalized++;   if(finalized >= created)    System.out.println("All " + finalized + " finalized");  } } public class Garbage {  public static void main(String[] args) {   if(args.length == 0) {    System.err.println("Usage: \n" + "java Garbage before\n or:\n" + "java Garbage after");    return;   }   while(!Chair.f) {    new Chair();    new String("To take up space");   }   System.out.println("After all Chairs have been created:\n" + "total created = " + Chair.created + ", total finalized = " + Chair.finalized);   if(args[0].equals("before")) {     System.out.println("gc():");     System.gc();     System.out.println("runFinalization():");     System.runFinalization();   }   System.out.println("bye!");   if(args[0].equals("after"))    System.runFinalizersOnExit(true);  } }    上面这个程序创建了许多Chair对象,而且在垃圾收集器开始运行后的某些时候,程序会停止创建Chair。由于垃圾收集器可能在任何时间运行,所以我们不能准确知道它在何时启动。因此,程序用一个名为gcrun的标记来指出垃圾收集器是否已经开始运行。利用第二个标记f,Chair可告诉main()它应停止对象的生成。这两个标记都是在finalize()内部设置的,它调用于垃圾收集期间。另两个static变量--created以及finalized--分别用于跟踪已创建的对象数量以及垃圾收集器已进行完收尾工作的对象数量。最后,每个Chair都有它自己的(非static)int i,所以能跟踪了解它具体的编号是多少。编号为47的Chair进行完收尾工作后,标记会设为true,最终结束Chair对象的创建过程。  关于垃圾收集的几点补充    经过上述的说明,可以发现垃圾回收有以下的几个特点:    (1)垃圾收集发生的不可预知性:由于实现了不同的垃圾收集算法和采用了不同的收集机制,所以它有可能是定时发生,有可能是当出现系统空闲CPU资源时发生,也有可能是和原始的垃圾收集一样,等到内存消耗出现极限时发生,这与垃圾收集器的选择和具体的设置都有关系。    (2)垃圾收集的精确性:主要包括2 个方面:(a)垃圾收集器能够精确标记活着的对象;(b)垃圾收集器能够精确地定位对象之间的引用关系。前者是完全地回收所有废弃对象的前提,否则就可能造成内存泄漏。而后者则是实现归并和复制等算法的必要条件。所有不可达对象都能够可靠地得到回收,所有对象都能够重新分配,允许对象的复制和对象内存的缩并,这样就有效地防止内存的支离破碎。    (3)现在有许多种不同的垃圾收集器,每种有其算法且其表现各异,既有当垃圾收集开始时就停止应用程序的运行,又有当垃圾收集开始时也允许应用程序的线程运行,还有在同一时间垃圾收集多线程运行。    (4)垃圾收集的实现和具体的JVM 以及JVM的内存模型有非常紧密的关系。不同的JVM 可能采用不同的垃圾收集,而JVM 的内存模型决定着该JVM可以采用哪些类型垃圾收集。现在,HotSpot 系列JVM中的内存系统都采用先进的面向对象的框架设计,这使得该系列JVM都可以采用最先进的垃圾收集。    (5)随着技术的发展,现代垃圾收集技术提供许多可选的垃圾收集器,而且在配置每种收集器的时候又可以设置不同的参数,这就使得根据不同的应用环境获得最优的应用性能成为可能。    针对以上特点,我们在使用的时候要注意:    (1)不要试图去假定垃圾收集发生的时间,这一切都是未知的。比如,方法中的一个临时对象在方法调用完毕后就变成了无用对象,这个时候它的内存就可以被释放。    (2)Java中提供了一些和垃圾收集打交道的类,而且提供了一种强行执行垃圾收集的方法--调用System.gc(),但这同样是个不确定的方法。Java 中并不保证每次调用该方法就一定能够启动垃圾收集,它只不过会向JVM发出这样一个申请,到底是否真正执行垃圾收集,一切都是个未知数。    (3)挑选适合自己的垃圾收集器。一般来说,如果系统没有特殊和苛刻的性能要求,可以采用JVM的缺省选项。否则可以考虑使用有针对性的垃圾收集器,比如增量收集器就比较适合实时性要求较高的系统之中。系统具有较高的配置,有比较多的闲置资源,可以考虑使用并行标记/清除收集器。    (4)关键的也是难把握的问题是内存泄漏。良好的编程习惯和严谨的编程态度永远是最重要的,不要让自己的一个小错误导致内存出现大漏洞。    (5)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,暗示垃圾收集器来收集该对象,还必须注意该引用的对象是否被监听,如果有,则要去掉监听器,然后再赋空值。    结束语 

  一般来说,Java开发人员可以不重视JVM中堆内存的分配和垃圾处理收集,但是,充分理解Java的这一特性可以让我们更有效地利用资源。同时要注意finalize()方法是Java的缺省机制,有时为确保对象资源的明确释放,可以编写自己的finalize方法。 

java中的修饰符 static 表示静态,它可以修饰属性,方法和代码块。 1,static修饰属性(类变量),那么这个属性就可以用 类名.属性名 来访问,也就是使这个属性成为本类的类变量,为本类对象所共有。这个属性就是全类公有。(共有的类变量与对象无关,只和类有关)。 类加载的过程,类本身也是保存在文件中(字节码文件保存着类的信息)的,java会通过I/O流把类的文件(字节码文件)读入JVM(java虚拟机),这个过程成为类的加载。JVM(java虚拟机)会通过类路径(CLASSPATH)来找字节码文件。 类变量,会在加载时自动初始化,初始化规则和实例变量相同。 注意:类中的实例变量是在创建对象时被初始化的,被static修饰的属性,也就是类变量,是在类加载时被创建并进行初始化,类加载的过程是进行一次。也就是类变量只会被创建一次。 2,static修饰方法(静态方法),会使这个方法成为整个类所公有的方法,可以用类名.方法名 访问。 注意:static修饰的方法,不直接能访问(可以通过组合方式访问)本类中的非静态(static)成员(包括方法和属性),本类的非静态(static)方法可以访问本类的静态成员(包括方法和属性),可以调用静态方法。静态方法要慎重使用。在静态方法中不能出现this关键字。 注意:父类中是静态方法,子类中不能覆盖为非静态方法,在符合覆盖规则的前提下,在父子类中,父类中的静态方法可以被子类中的静态方法覆盖,但是没有多态。(在使用对象调用静态方法是其实是调用编译时类型的静态方法) 注意:父子类中,静态方法只能被静态方法覆盖,父子类中,非静态方法只能被非静态方法覆盖。 java中的main方法必须写成static的因为,在类加载时无法创建对象,因为静态方法可以不通过对象调用 所以在类的main方法。所在在类加载时就可以通过main方法入口来运行程序。 注意:组合方式,就是需要在方法中创建一个所需要的对象,并用这个对象来调用任意所需的该对象的内容,不会再受只能访问静态的约束。 3,static修饰初始代码块,这时这个初始代码块就叫做静态初始代码块,这个代码块只在类加载时被执行一次。可以用静态初始代码块初始化一个类。 动态初始代码块,写在类体中的“{}”,这个代码块是在生成对象的初始化属性是运行。这种代码块叫动态初始代码块。 类在什么时候会被加载,构造(创建)对象时会加载类,调用类中静态方法或访问静态属性也是会加载这个静态方法真正所在的类。在构造子类对象时必会先加载父类,类加载会有延迟加载原则,只有在必须加载时才会加载。 final修饰符,可以修饰变量,方法,类 1,final修饰变量 被fianl修饰的变量就会变成常量(常量应当大写),一旦赋值不能改变,(可以在初始化时直接赋值,也可以在构造方法里也可以赋值,只能在这两种方法里二选一,不能不为常量赋值),fianl的常量不会有默认初始值,对于直接在初始化是赋值时final修饰符常和 static修饰符一起使用。 2,final修饰方法,被final修饰的方法将不能被其子类覆盖,保持方法的稳定不能被覆盖。 3,final修饰类,被final修饰的类将不能被继承。final类中的方法也都是final的。 注意:final,不能用来修饰构造方法,在父类中如果有常量属性,在子类中使用常量属性时是不会进行父类的类加载。静态常量如果其值可以确定,就不会加载该类,如果不能确定则会加载该常量所在的类。 不变模式,对象一旦创建属性就不会改变。用final修饰属性,也用final修饰类(强不变模式),用final修饰属性(弱不变模式)。 不变模式的典型体现:java.lang.String类,不变模式可以实现对象的共享(可以用一个对象实例赋值给多个对象变量。) 池化的思想,把需要共享的数据放在池中(节省空间,共享数据) 只有String类可以用“”中的字面值创建对象。在String类中,以字面值创建时,会到Java方法空间的串池空间中去查找,如果有就返回串池中字符串的地址,并把这个地址付给对象变量。如果没有则会在串池里创建一个字符串对象,并返回其地址付购对象变量,当另一个以字面值创建对象时则会重复上述过程。 如果是new在堆空间中创建String类的对象,则不会有上述的过程。 String类中的intern()方法会将在堆空间中创建的String类对象中的字符串和串池中的比对,如果有相同的串就返回这个串的串池中的地址。 不变模式在对于对象进行修改,添加操作是使相当麻烦的,他会产生很多的中间垃圾对象。创建和销毁的资源的开销是相当大的。 String类在字符串连接时会先的效率很低,就是因为它所产生的对象的书性是不能够修改的,当连接字符串时也就是只能创建新的对象。 对于很多的字符串连接,应当使用StringBuffer类,在使用这个类的对象来进行字符串连接时就不会有多余的中间对象生成,从而优化了效率。 abstract(抽象)修饰符,可以修饰类和方法 1,abstract修饰类,会使这个类成为一个抽象类,这个类将不能生成对象实例,但可以做为对象变量声明的类型,也就是编译时类型,抽象类就像当于一类的半成品,需要子类继承并覆盖其中的抽象方法。 2,abstract修饰方法,会使这个方法变成抽象方法,也就是只有声明(定义)而没有实现,实现部分以";"代替。需要子类继承实现(覆盖)。 注意:有抽象方法的类一定是抽象类。但是抽象类中不一定都是抽象方法,也可以全是具体方法。       abstract修饰符在修饰类时必须放在类名前。 abstract修饰方法就是要求其子类覆盖(实现)这个方法。调用时可以以多态方式调用子类覆盖(实现)后的方法,也就是说抽象方法必须在其子类中实现,除非子类本身也是抽象类。 注意:父类是抽象类,其中有抽象方法,那么子类继承父类,并把父类中的所有抽象方法都实现(覆盖)了,子类才有创建对象的实例的能力,否则子类也必须是抽象类。抽象类中可以有构造方法,是子类在构造子类对象时需要调用的父类(抽象类)的构造方法。 final和abstract,private和abstract,static和abstract,这些是不能放在一起的修饰符,因为 abstract修饰的方法是必须在其子类中实现(覆盖),才能以多态方式调用,以上修饰符在修饰方法时期子类都覆盖不了这个方法,final是不可以覆盖,private是不能够继承到子类,所以也就不能覆盖,static是可以覆盖的,但是在调用时会调用编译时类型的方法,因为调用的是父类的方法,而父类的方法又是抽象的方法,又不能够调用,所以上的修饰符不能放在一起。 抽象(abstract)方法代表了某种标准,定义标准,定义功能,在子类中去实现功能(子类继承了父类并需要给出从父类继承的抽象方法的实现)。 方法一时间想不到怎么被实现,或有意要子类去实现而定义某种标准,这个方法可以被定义为抽象。(abstract) 模板方法模式 用abstract把制订标准和实现标准分开,制定的标准就是模板,实现就是按模板标准来实现,也就是继承模板,实现模板中相应功能的方法。模板中不允许修改的方法可以用fianl来修饰,这个方法不能使抽象方法,为保证安全,封装,把模板中不公开的部分用protected(保护)修饰。

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原始发表:2015年11月04日,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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