java gc的调用机制 和编程规则

一个优秀的Java 程序员必须了解的GC 机制

一个优秀的 Java 程序员必须了解 GC 的 工作原理、如何优化 GC 的性能、如何与 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 GC 的工作原理、 GC 的几个关键问题进行 探讨，最后提出一些 Java 程序设计建议，如何从 GC 角度提高 Java 程序的性能。

    GC 的基本原理
  
    GC 是什么? 为什么要有 GC 呢?
    GC 是垃圾收集的意思（Garbage Collection）,内存处理是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。

    增量式 GC （ Incremental GC ）

    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，例如有些内存有限有设备，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放慢。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。

    详解finalize函数

    finalize 是位于Object类的一个方法，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

    MyObject还活着：此例子中，需要注意的是虽然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。

    程序如何与 GC 进行交互

    Java2 增强了内存管理功能，增加了一个 java .lang.ref 包，其中定义了三种引用类。这三种引用类分别为SoftReference、 WeakReference和 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{
　　 //由于 GC 由于低内存，已释放image，因此需要重新装载；
　　 image=new Image();
　　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。



    一些Java 编程的建议

    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。