全面分析Java的垃圾回收机制

女爷i 2022-07-12 01:19 185阅读 0赞

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）。

2、[finalize方法透视][finalize] 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);

2、tracing算法(Tracing Collector)

3、compacting算法(Compacting Collector)

4、copying算法(Coping Collector)

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][finalize] 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。

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][finalize] 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][finalize] ，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][finalize] ，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][finalize] ，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。

[finalize]: http://school.adminren.com/22/49373943.shtml