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從JVM的內存管理角度分析Java的GC垃圾回收機制

從JVM的內存管理角度分析Java的GC垃圾回收機制,這篇文章主要介紹了從JVM的內存管理角度分析Java的GC垃圾回收機制,帶有GC是Java語言的重要特性之一,需要的朋友可以參考下
關鍵字:Java、GC

一個優秀的Java程序員必須了解GC的工作原理、如何優化GC的性能、如何與GC進行有限的交互,因為有一些應用程序對性能要求較高,例如嵌入式系統、實時系統等,只有全面提升內存的管理效率 ,才能提高整個應用程序的性能。本篇文章首先簡單介紹GC的工作原理之后,然后再對GC的幾個關鍵問題進行深入探討,最后提出一些Java程序設計建議,從GC角度提高Java程序的性能。
      GC的基本原理
      Java的內存管理實際上就是對象的管理,其中包括對象的分配和釋放。
      對于程序員來說,分配對象使用new關鍵字;釋放對象時,只要將對象所有引用賦值為null,讓程序不能夠再訪問到這個對象,我們稱該對象為\"不可達的\".GC將負責回收所有\"不可達\"對象的內存空間。
      對于GC來說,當程序員創建對象時,GC就開始監控這個對象的地址、大小以及使用情況。通常,GC采用有向圖的方式記錄和管理堆(heap)中的所有對象(詳見 參考資料1 )。通過這種方式確定哪些對象是\"可達的\",哪些對象是\"不可達的\".當GC確定一些對象為\"不可達\"時,GC就有責任回收這些內存空間。但是,為了保證GC能夠在不同平臺實現的問題,Java規范對GC的很多行為都沒有進行嚴格的規定。例如,對于采用什么類型的回收算法、什么時候進行回收等重要問題都沒有明確的規定。因此,不同的JVM的實現者往往有不同的實現算法。這也給Java程序員的開發帶來行多不確定性。本文研究了幾個與GC工作相關的問題,努力減少這種不確定性給Java程序帶來的負面影響。
      增量式GC( Incremental GC )
      GC在JVM中通常是由一個或一組進程來實現的,它本身也和用戶程序一樣占用heap空間,運行時也占用CPU.當GC進程運行時,應用程序停止運行。因此,當GC運行時間較長時,用戶能夠感到Java程序的停頓,另外一方面,如果GC運行時間太短,則可能對象回收率太低,這意味著還有很多應該回收的對象沒有被回收,仍然占用大量內存。因此,在設計GC的時候,就必須在停頓時間和回收率之間進行權衡。一個好的GC實現允許用戶定義自己所需要的設置,例如有些內存有限有設備,對內存的使用量非常敏感,希望GC能夠準確的回收內存,它并不在意程序速度的放慢。另外一些實時網絡游戲,就不能夠允許程序有長時間的中斷。增量式GC就是通過一定的回收算法,把一個長時間的中斷,劃分為很多個小的中斷,通過這種方式減少GC對用戶程序的影響。雖然,增量式GC在整體性能上可能不如普通GC的效率高,但是它能夠減少程序的最長停頓時間。
      Sun JDK提供的HotSpot JVM就能支持增量式GC.HotSpot JVM缺省GC方式為不使用增量GC,為了啟動增量GC,我們必須在運行Java程序時增加-Xincgc的參數。HotSpot JVM增量式GC的實現是采用Train GC算法。它的基本想法就是,將堆中的所有對象按照創建和使用情況進行分組(分層),將使用頻繁高和具有相關性的對象放在一隊中,隨著程序的運行,不斷對組進行調整。當GC運行時,它總是先回收最老的(最近很少訪問的)的對象,如果整組都為可回收對象,GC將整組回收。這樣,每次GC運行只回收一定比例的不可達對象,保證程序的順暢運行。
      詳解finalize函數
      finalize是位于Object類的一個方法,該方法的訪問修飾符為protected,由于所有類為Object的子類,因此用戶類很容易訪問到這個方法。由于,finalize函數沒有自動實現鏈式調用,我們必須手動的實現,因此finalize函數的最后一個語句通常是super.finalize()。通過這種方式,我們可以實現從下到上實現finalize的調用,即先釋放自己的資源,然后再釋放父類的資源。
      根據Java語言規范,JVM保證調用finalize函數之前,這個對象是不可達的,但是JVM不保證這個函數一定會被調用。另外,規范還保證finalize函數最多運行一次。
      很多Java初學者會認為這個方法類似與C++中的析構函數,將很多對象、資源的釋放都放在這一函數里面。其實,這不是一種很好的方式。原因有三,其一,GC為了能夠支持finalize函數,要對覆蓋這個函數的對象作很多附加的工作。其二,在finalize運行完成之后,該對象可能變成可達的,GC還要再檢查一次該對象是否是可達的。因此,使用finalize會降低GC的運行性能。其三,由于GC調用finalize的時間是不確定的,因此通過這種方式釋放資源也是不確定的。
      通常,finalize用于一些不容易控制、并且非常重要資源的釋放,例如一些I/O的操作,數據的連接。這些資源的釋放對整個應用程序是非常關鍵的。在這種情況下,程序員應該以通過程序本身管理(包括釋放)這些資源為主,以finalize函數釋放資源方式為輔,形成一種雙保險的管理機制,而不應該僅僅依靠finalize來釋放資源。
      下面給出一個例子說明,finalize函數被調用以后,仍然可能是可達的,同時也可說明一個對象的finalize只可能運行一次。

  class MyObject{
     Test main; //記錄Test對象,在finalize中時用于恢復可達性
     public MyObject(Test t)
     {
     main=t; //保存Test 對象
     }
     protected void finalize()
     {
     main.ref=this;// 恢復本對象,讓本對象可達
     System.out.println(\"This is finalize\");//用于測試finalize只運行一次
     }
    }
    class Test {
     MyObject ref;
     public static void main(String[] args) {
     Test test=new Test();
     test.ref=new MyObject(test);
     test.ref=null; //MyObject對象為不可達對象,finalize將被調用
     System.gc();
     if (test.ref!=null) System.out.println(\"My Object還活著\");
     }
    }

      運行結果:

  This is finalize

MyObject還活著
 
  此例子中,需要注意的是雖然MyObject對象在finalize中變成可達對象,但是下次回收時候,finalize卻不再被調用,因為finalize函數最多只調用一次。

  程序如何與GC進行交互
  Java2增強了內存管理功能, 增加了一個java.lang.ref包,其中定義了三種引用類。這三種引用類分別為SoftReference、WeakReference和PhantomReference.通過使用這些引用類,程序員可以在一定程度與GC進行交互,以便改善GC的工作效率。這些引用類的引用強度介于可達對象和不可達對象之間。
  創建一個引用對象也非常容易,例如如果你需要創建一個Soft Reference對象,那么首先創建一個對象,并采用普通引用方式(可達對象);然后再創建一個SoftReference引用該對象;最后將普通引用設置為null.通過這種方式,這個對象就只有一個Soft Reference引用。同時,我們稱這個對象為Soft Reference 對象。
  Soft Reference的主要特點是據有較強的引用功能。只有當內存不夠的時候,才進行回收這類內存,因此在內存足夠的時候,它們通常不被回收。另外,這些引用對象還能保證在Java拋出OutOfMemory 異常之前,被設置為null.它可以用于實現一些常用圖片的緩存,實現Cache的功能,保證最大限度的使用內存而不引起OutOfMemory.以下給出這種引用類型的使用偽代碼;

//申請一個圖像對象
  Image image=new Image();//創建Image對象
  …
  //使用 image
  …
  //使用完了image,將它設置為soft 引用類型,并且釋放強引用;
  SoftReference sr=new SoftReference(image);
  image=null;
   …
   //下次使用時
   if (sr!=null) image=sr.get();
   else{
   //由于GC由于低內存,已釋放image,因此需要重新裝載;
   image=new Image();
  sr=new SoftReference(image);
  }

 
  Weak引用對象與Soft引用對象的最大不同就在于:GC在進行回收時,需要通過算法檢查是否回收Soft引用對象,而對于Weak引用對象,GC總是進行回收。Weak引用對象更容易、更快被GC回收。雖然,GC在運行時一定回收Weak對象,但是復雜關系的Weak對象群常常需要好幾次GC的運行才能完成。Weak引用對象常常用于Map結構中,引用數據量較大的對象,一旦該對象的強引用為null時,GC能夠快速地回收該對象空間。
  Phantom引用的用途較少,主要用于輔助finalize函數的使用。Phantom對象指一些對象,它們執行完了finalize函數,并為不可達對象,但是它們還沒有被GC回收。這種對象可以輔助finalize進行一些后期的回收工作,我們通過覆蓋Reference的clear()方法,增強資源回收機制的靈活性。
  一些Java編碼的建議
  根據GC的工作原理,我們可以通過一些技巧和方式,讓GC運行更加有效率,更加符合應用程序的要求。以下就是一些程序設計的幾點建議。
  1.最基本的建議就是盡早釋放無用對象的引用。大多數程序員在使用臨時變量的時候,都是讓引用變量在退出活動域(scope)后,自動設置為null.我們在使用這種方式時候,必須特別注意一些復雜的對象圖,例如數組,隊列,樹,圖等,這些對象之間有相互引用關系較為復雜。對于這類對象,GC回收它們一般效率較低。如果程序允許,盡早將不用的引用對象賦為null.這樣可以加速GC的工作。 [Page]
  2.盡量少用finalize函數。finalize函數是Java提供給程序員一個釋放對象或資源的機會。但是,它會加大GC的工作量,因此盡量少采用finalize方式回收資源。
  3.如果需要使用經常使用的圖片,可以使用soft應用類型。它可以盡可能將圖片保存在內存中,供程序調用,而不引起OutOfMemory.
  4.注意集合數據類型,包括數組,樹,圖,鏈表等數據結構,這些數據結構對GC來說,回收更為復雜。另外,注意一些全局的變量,以及一些靜態變量。這些變量往往容易引起懸掛對象(dangling reference),造成內存浪費。
  5.當程序有一定的等待時間,程序員可以手動執行System.gc(),通知GC運行,但是Java語言規范并不保證GC一定會執行。使用增量式GC可以縮短Java程序的暫停時間。

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