Effective Java Item7:Avoid Finalizers,解释为什么finalize是不安全的，不建议使用
我的上一篇博客：System.gc()和-XX:+DisableExplicitGC启动参数，以及DirectByteBuffer的内存释放 在讨论如何回收堆外内存的时候，提到“NIO中direct memory的释放并不是通过finalize()，因为finalize不安全而且影响能”。Effective Java一书中也提到：Avoid Finalizers。人都有潜在的叛逆意识，别人给的结论或者制定的规范，除非有足够的理由说服你，除非懂得这么做背后的原因，否则只能是死记硬背，没有形象深入的理解，不能学到真正的东西。本文通过自己的理解和一些实际的例子，和大家一起更形象的理解finalize。还是那句经典的话“talking is cheap,show me the code”。
我们先看下TestObjectHasFinalize这个类提供了finalize方法
package finalize;
public class TestObjectHasFinalize
{
public static void main(String[] args)
{
while (true)
{
TestObjectHasFinalize heap = new TestObjectHasFinalize();
System.out.println("memory address=" + heap);
}
}
@Override
protected void finalize() throws Throwable
{
super.finalize();
System.out.println("finalize.");
}
}
运行这段程序，使用jmap命令查看对象占用的内存情况。
C:\Documents and Settings\Administrator>jps 4232 Jps 3236 TestObjectHasFinalize 5272 C:\Documents and Settings\Administrator>jmap -histo:live 3236 num #instances #bytes class name ---------------------------------------------- 1: 106983 3423456 java.lang.ref.Finalizer 2: 106977 855816 finalize.TestObjectHasFinalize 3: 642 841384 [I 4: 5204 521984 <constMethodKlass> 5: 8678 460712 <symbolKlass> 6: 5204 460672 <methodKlass> 7: 1694 206832 [C 8: 351 206024 <constantPoolKlass> 9: 351 142864 <instanceKlassKlass> 10: 325 140040 <constantPoolCacheKlass> 11: 421 79648 [B 12: 1701 40824 java.lang.String 13: 420 40320 java.lang.Class 14: 519 33720 [S 15: 547 32800 [[I 16: 758 24256 java.util.TreeMap$Entry 17: 94 18024 <methodDataKlass> 18: 40 13120 <objArrayKlassKlass> 19: 312 12776 [Ljava.lang.Object; 20: 76 6080 java.lang.reflect.Method 21: 181 5840 [Ljava.lang.String; 22: 37 2664 java.lang.reflect.Field 23: 8 2624 <typeArrayKlassKlass>可以发现占用内存较多的是java.lang.ref.Finalizer对象和TestObjectHasFinalize，为什么会有这么多个Finalizer对象呢？为什么要这么多的TestObjectHasFinalize对象呢？类似的，我们看下没有finalize()方法的情况
public class TestObjectNoFinalize
{
public static void main(String[] args)
{
while (true)
{
TestObjectNoFinalize heap = new TestObjectNoFinalize();
System.out.println("object no finalize method." + heap);
}
}
}
C:\Documents and Settings\Administrator>jps 4436 TestObjectNoFinalize 6012 Jps 5272 C:\Documents and Settings\Administrator>jmap -histo:live 4436 num #instances #bytes class name ---------------------------------------------- 1: 5203 521896 <constMethodKlass> 2: 8677 460696 <symbolKlass> 3: 5203 460584 <methodKlass> 4: 1689 206544 [C 5: 351 205992 <constantPoolKlass> 6: 351 142864 <instanceKlassKlass> 7: 325 140024 <constantPoolCacheKlass> 8: 421 79640 [B 9: 1696 40704 java.lang.String 10: 420 40320 java.lang.Class 11: 519 33720 [S 12: 547 32800 [[I 13: 758 24256 java.util.TreeMap$Entry 14: 407 22088 [I 15: 74 14720 <methodDataKlass> 16: 40 13120 <objArrayKlassKlass> 17: 312 12776 [Ljava.lang.Object; 18: 76 6080 java.lang.reflect.Method 19: 181 5840 [Ljava.lang.String; 20: 37 2664 java.lang.reflect.Field 21: 8 2624 <typeArrayKlassKlass> 22: 100 1976 [Ljava.lang.Class; 23: 20 1664 [Ljava.util.HashMap$Entry; 24: 12 1440 <klassKlass> 25: 59 1416 java.util.Hashtable$Entry 26: 13 728 java.net.URL 27: 18 720 java.util.HashMap 28: 7 680 [Ljava.util.Hashtable$Entry; 29: 6 672 java.lang.Thread 30: 10 640 java.lang.reflect.Constructor可以发现，java.lang.ref.Finalizer和TestObjectHasFinalize没有占用大量的堆内存。没有提供finalize()方法的类，占用的堆内存更少，垃圾回收速度更快，而且JVM也不会创建那么多java.lang.ref.Finalizer对象。
1、使用finalize会导致严重的内存消耗和性能损失
《Effective Java》中提到“使用finalizer会导致严重的性能损失。在我的机器上，创建和销毁一个简单对象的实践大约是5.6ns，增加finalizer后时间增加到2400ns。换言之，创建和销毁带有finalizer的对象会慢430倍”。额外的内存消耗这个很容看出，因为使用了finalize的时候，堆内存中会多出很多java.lang.ref.Finalizer对象。性能损失这个可以通过分析得出结论，因为使用了finalize的时候，堆内存会驻留大量的无用TestObjectHasFinalize对象。为什么有这么多TestObjectHasFinalize对象呢？很简单，垃圾回收的速度变慢了，对象的销毁速度小于对象的创建速度。为什么有这么多的java.lang.ref.Finalizer对象对象呢？这是JVM内部的机制，用来保证finalize只被调用一次。
2、JVM不确保finalize一定会被执行，而且执行finalize的时间也不确定。
从一个对象变为不可达，到其finalizer被执行，可能会经过任意长时间。这意味着你不能在finalizer中执行任何注重时间的任务。依靠finalizer来关闭文件就是一个严重错误，因为打开文件的描述符是一个有限资源。JVM会延迟执行finalizer，所以大量文件会被保持在打开状态，当一个程序不再能打开文件的时候，就会运行失败。
import sun.misc.Unsafe;
public class RevisedObjectInHeap
{
private long address = 0;
private Unsafe unsafe = GetUsafeInstance.getUnsafeInstance();
public RevisedObjectInHeap()
{
address = unsafe.allocateMemory(2 * 1024 * 1024);
}
@Override
protected void finalize() throws Throwable
{
super.finalize();
unsafe.freeMemory(address);
}
public static void main(String[] args)
{
while (true)
{
RevisedObjectInHeap heap = new RevisedObjectInHeap();
System.out.println("memory address=" + heap.address);
}
}
}
运行这段代码，很快就会出现堆外内存溢出。为什么呢？就是因为RevisedObjectInHeap.finalize方法不能及时执行，不能及时释放堆外内存。可以参考我的另一篇博客：java中使用堆外内存，关于内存回收需要注意的事和没有解决的遗留问题
当然使用finalize还有其他问题，具体的可以参考《Effective Java》。接下来介绍下JVM执行finalize方法的一些理论知识。实现了finalize()的对象，创建和回收的过程都更耗时。创建时，会新建一个额外的Finalizer 对象指向新创建的对象。 而回收时，至少需要经过两次GC。
先来看下新建对象的时候发生的事，测试步骤如下：
1、在TestObjectNoFinalize和TestObjectHasFinalize这2个类的while循环中打上断点，在java.lang.ref.Finalizer的Finalizer()和register()打上断点
2、分别debug运行TestObjectNoFinalize和TestObjectHasFinalize，观察进入Finalizer断点的次数
测试结果如下：
1、TestObjectNoFinalize没有finalize()方法
进入Finalizer断点的次数很少（3次，指向的是JarFile、Inflater、FileInputStream），之后进入while循环中的断点，不会再进入Finalizer中的断点。也就是说：创建TestObjectNoFinalize对象的时候，不会创建相应的Finalizer对象。
2、TestObjectHasFinalize提供了finalize()方法
每次创建TestObjectHasFinalize对象的时候，都会创建相应的Finalizer对象指向它。
再看下回收对象的时候发生的事：加上-XX:+PrintGCDetails参数，观察下垃圾回收的过程。
可以看到TestObjectNoFinalize中都是在新生代中发生时的垃圾回收，很快就回收掉了内存。
TestObjectHasFinalize进行了几次新生代内存回收之后，频繁的进行[Full GC。这是以为回收内存的速度太慢，导致新生代内存不能及时释放，所以必须进行Full GC以期望获取空闲的内存空间。这个实验虽然不能直接证明至少需要进行2次GC，但是可以清楚的看到：含有finalize()的对象垃圾回收速度会很慢。
finalize机制的一些总结：
1、如果一个类A实现了finalize()方法，那么每次创建A类对象的时候，都会多创建一个Finalizer对象(指向刚刚新建的对象)；如果类没有实现finalize()方法，那么不会创建额外的Finalizer对象
2、Finalizer内部维护了一个unfinalized链表，每次创建的Finalizer对象都会插入到该链表中。源码如下
// 存储Finalizer对象的链表头指针
static private Finalizer unfinalized = null;
static private Object lock = new Object();
private Finalizer next = null, prev = null;
private void add()
{
synchronized (lock)
{
if (unfinalized != null) {
this.next = unfinalized;
unfinalized.prev = this;
}
unfinalized = this;
}
}
3、如果类没有实现finalize方法，那么进行垃圾回收的时候，可以直接从堆内存中释放该对象。这是速度最快，效率最高的方式
4、如果类实现了finalize方法，进行GC的时候，如果发现某个对象只被java.lang.ref.Finalizer对象引用，那么会将该Finalizer对象加入到Finalizer类的引用队列（F-Queue）中，并从unfinalized链表中删除该结点。这个过程是JVM在GC的时候自动完成的。
/* Invoked by VM */
private void remove()
{
synchronized (lock)
{
if (unfinalized == this) {
if (this.next != null) {
unfinalized = this.next;
} else {
unfinalized = this.prev;
}
}
if (this.next != null) {
this.next.prev = this.prev;
}
if (this.prev != null) {
this.prev.next = this.next;
}
this.next = this; /* Indicates that this has been finalized */
this.prev = this;
}
}
// 这就是F-Queue队列,存放的是Finalizer对象 static private ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
第一次GC, 检测到对象只有被Finalizer引用，将这个对象放入 java.lang.ref.Finalizer.ReferenceQueue 此时，因为Finalizer的引用，对象还无法被GC。java.lang.ref.Finalizer$FinalizerThread 会不停的清理Queue的对象，remove掉当前元素，并执行对象的finalize方法。清理后对象没有任何引用，在下一次GC被回收。
6、Finalizer是JVM内部的守护线程，优先级很低。Finalizer线程是个单一职责的线程。这个线程会不停的循环等待java.lang.ref.Finalizer.ReferenceQueue中的新增对象。一旦Finalizer线程发现队列中出现了新的对象，它会弹出该对象，调用它的finalize()方法，将该引用从Finalizer类中移除，因此下次GC再执行的时候，这个Finalizer实例以及它引用的那个对象就可以回垃圾回收掉了。
private static class FinalizerThread extends Thread
{
FinalizerThread(ThreadGroup g) {
super(g, "Finalizer");
}
public void run() {
for (;;) {
try {
Finalizer f = (Finalizer)queue.remove();
f.runFinalizer();
} catch (InterruptedException x) {
continue;
}
}
}
}
7、使用finalize容易导致OOM，因为如果创建对象的速度很快，那么Finalizer线程的回收速度赶不上创建速度，就会导致内存垃圾越来越多
结束语：终于写完了，欢迎各位看官品读。有不到位或者不准确的地方， 欢迎提出意见。