高性能JAVA开发之内存管理
这几天在找一个程序的bug，主要是java虚拟机内存溢出的问题，调研了一些java内存管理的资料，现整理如下：
一、JVM中的对象生命周期
对象的生命周期一般分为7个阶段:创建阶段,应用阶段,不可视阶段,不可到达阶段,可收集阶段,终结阶段,释放阶段。
创建阶段，首先大家看一下,如下两段代码:
test1:
for( int i=0; i<10000; i++)
Object obj=new Object();
test2:
Object obj=null;
for( int i=0; i<10000; i++)
obj=new Object();
这两段代码都是相同的功能,但是显然test2的性能要比test1性能要好,内存使用率要高,这是为什么呢?原因很简单,test1每次执行for循环都要创建一个Object的临时对象,但是这些临时对象由于JVM的GC不能马上销毁,所以他们还要存在很长时间,而test2则只是在内存中保存一份对象的引用,而不必创建大量新临时变量.从而降低了内存的使用.
另外不要对同一个对象初始化多次.例如:
public class A{
private Hashtable table = new Hashtable();
public A(){
table = new Hashtable(); // 这里应该去掉,因为table已经被初始化.
}
这样就new了两个Hashtable,但是却只使用了一个.另外一个则没有被引用.而被忽略掉.浪费了内存.并且由于进行了两次new操作.也影响了代码的执行速度。
应用阶段:即该对象至少有一个引用在维护他。
不可视阶段:即超出该变量的作用域.这里有一个很好的做法,因为JVM在GC的时候并不是马上进行回收,而是要判断对象是否被其他引用在维护.所以,这个时候如果我们在使用完一个对象以后对其obj=null或者obj.doSomething() 操作,将其标记为空,可以帮助JVM及时发现这个垃圾对象。
不可到达阶段:就是在JVM中找不到对该对象的直接或者间接的引用。
可收集阶段,终结阶段,释放阶段:此为回收器发现该对象不可到达,finalize方法已经被执行,或者对象空间已被重用的时候。
二、java内存管理特点
Java一个最大的优点就是取消了指针，由垃圾收集器来自动管理内存的回收。程序员不需要通过调用函数来释放内存。
（1）Java的内存管理就是对象的分配和释放问题。
在Java中，内存的分配是由程序完成的，而内存的释放是有GC完成的，这种收支两条线的方法简化了程序员的工作。但也加重了JVM的工作。这也是Java程序运行速度较慢的原因之一。
在Java中，程序员需要通过关键字new为每个对象申请内存空间 (基本类型除外)，所有的对象都在堆 (Heap)中分配空间，对象的释放是由GC决定和执行的。
GC释放空间方法：监控每一个对象的运行状态，包括对象的申请、引用、被引用、赋值等。当该对象不再被引用时，释放对象，但程序中对GC的操作并不一定能达到管理内存的效果，GC对于程序员来说基本是透明的，不可见的。我们只有几个函数可以访问GC，例如运行GC的函数System.gc()。但是根据 Java语言规范定义，System.gc()函数不保证JVM的垃圾收集器一定会执行。因为，不同的JVM实现者可能使用不同的算法管理GC。通常，GC的线程的优先级别较低，而且强制内存回收对于系统自动的内存回收机制会产生负面影响,会加大系统自动回收的处理时间,所以应该尽量避免显式使用 System.gc(),
JVM调用GC的策略有很多种，有的是内存使用到达一定程度时，GC才开始工作，也有定时执行的，有的是平缓执行GC，有的是中断式执行GC。但通常来说，我们不需要关心这些。除非在一些特定的场合，GC的执行影响应用程序的性能，例如对于基于Web的实时系统，如网络游戏等，用户不希望GC突然中断应用程序执行而进行垃圾回收，那么我们需要调整GC的参数，让GC能够通过平缓的方式释放内存，例如将垃圾回收分解为一系列的小步骤执行，Sun提供的 HotSpot JVM就支持这一特性。
（2）内存管理结构
Java使用有向图的方式进行内存管理，对于程序运行的每一个时刻，我们都有一个有向图表示JVM的内存分配情况。
将对象考虑为有向图的顶点，将引用关系考虑为图的有向边，有向边从引用者指向被引对象。另外，每个线程对象可以作为一个图的起始顶点，例如大多程序从 main进程开始执行，那么该图就是以main进程顶点开始的一棵根树。在这个有向图中，根顶点可达的对象都是有效对象，GC将不回收这些对象。如果某个对象 (连通子图)与这个根顶点不可达(注意，该图为有向图)，那么我们认为这个(这些)对象不再被引用，可以被GC回收。
（3）使用有向图方式管理内存的优缺点
Java使用有向图的方式进行内存管理，可以消除引用循环的问题，例如有三个对象，相互引用，只要它们和根进程不可达的，那么GC也是可以回收它们的。这种方式的优点是管理内存的精度很高，但是效率较低。另外一种常用的内存管理技术是使用计数器，例如COM模型采用计数器方式管理构件，它与有向图相比，精度行低(很难处理循环引用的问题)，但执行效率很高。
三、Java的内存泄露
Java虽然由GC来回收内存，但也是存在泄露问题的，只是比C++小一点。
（1）与C++的比较
C++所有对象的分配和回收都需要由用户来管理。即需要管理点，也需要管理边。若存在不可达的点，无法在回收分配给那个点的内存，导致内存泄露。存在无用的对象引用，自然也会导致内存泄露。
Java由GC来管理内存回收，GC将回收不可达的对象占用的内存空间。所以，Java需要考虑的内存泄露问题主要是那些被引用但无用的对象——即指要管理边就可以。被引用但无用的对象，程序引用了该对象，但后续不会再使用它。它占用的内存空间就浪费了，如果存在对象的引用，这个对象就被定义为“活动的”，同时不会被释放。
（2）Java内存泄露处理
处理Java的内存泄露问题：确认该对象不再会被使用，接着典型的做法——把对象数据成员设为null
注意，当局部变量不需要时，不需明显的设为null，因为一个方法执行完毕时，这些引用会自动被清理。
例子：
List myList=new ArrayList();
for (int i=1;i<100; i++)
{
Object o=new Object();
myList.add(o);
o=null;
}
此时，所有的Object对象都没有被释放，因为变量myList引用这些对象。当myList后来不再用到，将之设为null，释放所有它引用的对象。之后GC便会回收这些对象占用的内存。
（3）内存泄露检测
市场上已有几种专业检查Java内存泄漏的工具，它们的基本工作原理大同小异，都是通过监测Java程序运行时，所有对象的申请、释放等动作，将内存管理的所有信息进行统计、分析、可视化。开发人员将根据这些信息判断程序是否有内存泄漏问题。这些工具包括Optimizeit Profiler，JProbe Profiler，JinSight, Rational公司的Purify等。
在运行过程中，我们可以随时观察内存的使用情况，通过这种方式，我们可以很快找到那些长期不被释放，并且不再使用的对象。我们通过检查这些对象的生存周期，确认其是否为内存泄露。
四、java程序设计中有关内存管理的经验
1. 最基本的建议是尽早释放无用对象的引用。如：...
A a = new A();
//应用a对象
a = null; //当使用对象a之后主动将其设置为空
….
注：如果a 是方法的返回值，不要做这样的处理，否则你从该方法中得到的返回值永远为空，而且这种错误不易被发现、排除
2. 尽量少用finalize函数。它会加大GC的工作量。
3. 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。
4. 尽量避免在类的默认构造器中创建、初始化大量的对象，防止在调用其自类的构造器时造成不必要的内
存资源浪费。由于对象的创建是递归式的,也就是先调用超级类的构造,然后依次向下递归调用构造函数,
来源：(http://blog.sina.com.cn/s/blog_5cdbcf3e0100c734.html) - 高性能JAVA开发之内存管理（二）_Kevin_新浪博客
所以应该避免在类的构造函数中初始化变量,这样可以避免不必要的创建对象造成不必要的内存消耗.当
然这里也就看出来接口的优势。
5. 尽量避免强制系统做垃圾内存的回收，增长系统做垃圾回收的最终时间
6. 尽量避免显式申请数组空间
7. 别用new Boolean()
在很多场景中Boolean类型是必须的，比如JDBC中boolean类型的set与get都是通过Boolean封装传递的，大部分ORM也是用Boolean来封装boolean类型的，比如：
ps.setBoolean("isClosed",new Boolean(true));
ps.setBoolean("isClosed",new Boolean(isClosed));
ps.setBoolean("isClosed",new Boolean(i==3));
通常这些系统中构造的Boolean实例的个数是相当多的，所以系统中充满了大量Boolean实例小对象，这是相当消耗内存的。Boolean类实际上只要两个实例就够了，一个true的实例，一个false的实例。
Boolean类提供两了个静态变量：
public static final Boolean TRUE = new Boolean(true);
public static final Boolean FALSE = new Boolean(false);
需要的时候只要取这两个变量就可以了，
比如：ps.setBoolean("isClosed",Boolean.TRUE);
那么象2、3句那样要根据一个boolean变量来创建一个Boolean怎么办呢?可以使用Boolean提供的静态方法：Boolean.valueOf（）
比如：
ps.setBoolean("isClosed",Boolean.valueOf(isClosed));
ps.setBoolean("isClosed",Boolean.valueOf(i==3));
因为valueOf的内部实现是：return (b ? TRUE : FALSE);
所以可以节省大量内存。相信如果Java规范直接把Boolean的构造函数规定成private，就再也不会出现这种情况了。
8. 别用new Integer
和Boolean类似，java开发中使用Integer封装int的场合也非常多，并且通常用int表示的数值通常都非常小。SUN SDK中对Integer的实例化进行了优化,Integer类缓存了-128到127这256个状态的Integer，如果使用 Integer.valueOf(int i)，传入的int范围正好在此内，就返回静态实例。这样如果我们使用Integer.valueOf代替new Integer的话也将大大降低内存的占用。如果您的系统要在不同的SDK（比如IBM SDK）中使用的话，那么可以自己做了工具类封装一下，比如IntegerUtils.valueOf(),这样就可以在任何SDK中都可以使用这种特性。
9. 不要用StringBuffer代替字符串相加
10. 不要过滥使用哈希表
有一定开发经验的开发人员经常会使用hash表（hash表在JDK中的一个实现就是 HashMap）来缓存一些数据，从而提高系统的运行速度。比如使用HashMap缓存一些物料信息、人员信息等基础资料，这在提高系统速度的同时也加大了系统的内存占用，特别是当缓存的资料比较多的时候。其实我们可以使用操作系统中的缓存的概念来解决这个问题，也就是给被缓存的分配一个一定大小的缓存容器，按照一定的算法淘汰不需要继续缓存的对象，这样一方面会因为进行了对象缓存而提高了系统的运行效率，同时由于缓存容器不是无限制扩大，从而也减少了系统的内存占用。现在有很多开源的缓存实现项目，比如ehcache、oscache等，这些项目都实现了FIFO、MRU等常见的缓存算法。
11. 避免过深的类层次结构和过深的方法调用。因为这两者都是非常占用内存的（特别是方法调用更是堆栈空间的消耗大户）。
12. 变量只有在用到它的时候才定义和实例化。
13. 共享静态存储空间
我们都知道静态变量在程序运行期间其内存是共享的,因此有时候为了节约内存工件,将一些变量声明为静态变量确实可以起到节约内存空间的作用。但是由于静态变量生命周期很长,不易被系统回收,所以使用静态变量要合理,不能盲目的使用.以免适得其反。
因此建议在下面情况下使用:变量所包含的对象体积较大,占用内存过多；变量所包含对象生命周期较长；变量所包含数据稳定；该类的对象实例有对该变量所包含的对象的共享需求.(也就是说是否需要作为全局变量)。
一、JVM中的对象生命周期
对象的生命周期一般分为7个阶段:创建阶段,应用阶段,不可视阶段,不可到达阶段,可收集阶段,终结阶段,释放阶段。
创建阶段，首先大家看一下,如下两段代码:
test1:
for( int i=0; i<10000; i++)
Object obj=new Object();
test2:
Object obj=null;
for( int i=0; i<10000; i++)
obj=new Object();
这两段代码都是相同的功能,但是显然test2的性能要比test1性能要好,内存使用率要高,这是为什么呢?原因很简单,test1每次执行for循环都要创建一个Object的临时对象,但是这些临时对象由于JVM的GC不能马上销毁,所以他们还要存在很长时间,而test2则只是在内存中保存一份对象的引用,而不必创建大量新临时变量.从而降低了内存的使用.
另外不要对同一个对象初始化多次.例如:
public class A{
private Hashtable table = new Hashtable();
public A(){
table = new Hashtable(); // 这里应该去掉,因为table已经被初始化.
}
这样就new了两个Hashtable,但是却只使用了一个.另外一个则没有被引用.而被忽略掉.浪费了内存.并且由于进行了两次new操作.也影响了代码的执行速度。
应用阶段:即该对象至少有一个引用在维护他。
不可视阶段:即超出该变量的作用域.这里有一个很好的做法,因为JVM在GC的时候并不是马上进行回收,而是要判断对象是否被其他引用在维护.所以,这个时候如果我们在使用完一个对象以后对其obj=null或者obj.doSomething() 操作,将其标记为空,可以帮助JVM及时发现这个垃圾对象。
不可到达阶段:就是在JVM中找不到对该对象的直接或者间接的引用。
可收集阶段,终结阶段,释放阶段:此为回收器发现该对象不可到达,finalize方法已经被执行,或者对象空间已被重用的时候。
二、java内存管理特点
Java一个最大的优点就是取消了指针，由垃圾收集器来自动管理内存的回收。程序员不需要通过调用函数来释放内存。
（1）Java的内存管理就是对象的分配和释放问题。
在Java中，内存的分配是由程序完成的，而内存的释放是有GC完成的，这种收支两条线的方法简化了程序员的工作。但也加重了JVM的工作。这也是Java程序运行速度较慢的原因之一。
在Java中，程序员需要通过关键字new为每个对象申请内存空间 (基本类型除外)，所有的对象都在堆 (Heap)中分配空间，对象的释放是由GC决定和执行的。
GC释放空间方法：监控每一个对象的运行状态，包括对象的申请、引用、被引用、赋值等。当该对象不再被引用时，释放对象，但程序中对GC的操作并不一定能达到管理内存的效果，GC对于程序员来说基本是透明的，不可见的。我们只有几个函数可以访问GC，例如运行GC的函数System.gc()。但是根据 Java语言规范定义，System.gc()函数不保证JVM的垃圾收集器一定会执行。因为，不同的JVM实现者可能使用不同的算法管理GC。通常，GC的线程的优先级别较低，而且强制内存回收对于系统自动的内存回收机制会产生负面影响,会加大系统自动回收的处理时间,所以应该尽量避免显式使用 System.gc(),
JVM调用GC的策略有很多种，有的是内存使用到达一定程度时，GC才开始工作，也有定时执行的，有的是平缓执行GC，有的是中断式执行GC。但通常来说，我们不需要关心这些。除非在一些特定的场合，GC的执行影响应用程序的性能，例如对于基于Web的实时系统，如网络游戏等，用户不希望GC突然中断应用程序执行而进行垃圾回收，那么我们需要调整GC的参数，让GC能够通过平缓的方式释放内存，例如将垃圾回收分解为一系列的小步骤执行，Sun提供的 HotSpot JVM就支持这一特性。
（2）内存管理结构
Java使用有向图的方式进行内存管理，对于程序运行的每一个时刻，我们都有一个有向图表示JVM的内存分配情况。
将对象考虑为有向图的顶点，将引用关系考虑为图的有向边，有向边从引用者指向被引对象。另外，每个线程对象可以作为一个图的起始顶点，例如大多程序从 main进程开始执行，那么该图就是以main进程顶点开始的一棵根树。在这个有向图中，根顶点可达的对象都是有效对象，GC将不回收这些对象。如果某个对象 (连通子图)与这个根顶点不可达(注意，该图为有向图)，那么我们认为这个(这些)对象不再被引用，可以被GC回收。
（3）使用有向图方式管理内存的优缺点
Java使用有向图的方式进行内存管理，可以消除引用循环的问题，例如有三个对象，相互引用，只要它们和根进程不可达的，那么GC也是可以回收它们的。这种方式的优点是管理内存的精度很高，但是效率较低。另外一种常用的内存管理技术是使用计数器，例如COM模型采用计数器方式管理构件，它与有向图相比，精度行低(很难处理循环引用的问题)，但执行效率很高。
三、Java的内存泄露
Java虽然由GC来回收内存，但也是存在泄露问题的，只是比C++小一点。
（1）与C++的比较
C++所有对象的分配和回收都需要由用户来管理。即需要管理点，也需要管理边。若存在不可达的点，无法在回收分配给那个点的内存，导致内存泄露。存在无用的对象引用，自然也会导致内存泄露。
Java由GC来管理内存回收，GC将回收不可达的对象占用的内存空间。所以，Java需要考虑的内存泄露问题主要是那些被引用但无用的对象——即指要管理边就可以。被引用但无用的对象，程序引用了该对象，但后续不会再使用它。它占用的内存空间就浪费了，如果存在对象的引用，这个对象就被定义为“活动的”，同时不会被释放。
（2）Java内存泄露处理
处理Java的内存泄露问题：确认该对象不再会被使用，接着典型的做法——把对象数据成员设为null
注意，当局部变量不需要时，不需明显的设为null，因为一个方法执行完毕时，这些引用会自动被清理。
例子：
List myList=new ArrayList();
for (int i=1;i<100; i++)
{
Object o=new Object();
myList.add(o);
o=null;
}
此时，所有的Object对象都没有被释放，因为变量myList引用这些对象。当myList后来不再用到，将之设为null，释放所有它引用的对象。之后GC便会回收这些对象占用的内存。
（3）内存泄露检测
市场上已有几种专业检查Java内存泄漏的工具，它们的基本工作原理大同小异，都是通过监测Java程序运行时，所有对象的申请、释放等动作，将内存管理的所有信息进行统计、分析、可视化。开发人员将根据这些信息判断程序是否有内存泄漏问题。这些工具包括Optimizeit Profiler，JProbe Profiler，JinSight, Rational公司的Purify等。
在运行过程中，我们可以随时观察内存的使用情况，通过这种方式，我们可以很快找到那些长期不被释放，并且不再使用的对象。我们通过检查这些对象的生存周期，确认其是否为内存泄露。
四、java程序设计中有关内存管理的经验
1. 最基本的建议是尽早释放无用对象的引用。如：...
A a = new A();
//应用a对象
a = null; //当使用对象a之后主动将其设置为空
….
注：如果a 是方法的返回值，不要做这样的处理，否则你从该方法中得到的返回值永远为空，而且这种错误不易被发现、排除
2. 尽量少用finalize函数。它会加大GC的工作量。
3. 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。
4. 尽量避免在类的默认构造器中创建、初始化大量的对象，防止在调用其自类的构造器时造成不必要的内
存资源浪费。由于对象的创建是递归式的,也就是先调用超级类的构造,然后依次向下递归调用构造函数,
来源：(http://blog.sina.com.cn/s/blog_5cdbcf3e0100c734.html) - 高性能JAVA开发之内存管理（二）_Kevin_新浪博客
所以应该避免在类的构造函数中初始化变量,这样可以避免不必要的创建对象造成不必要的内存消耗.当
然这里也就看出来接口的优势。
5. 尽量避免强制系统做垃圾内存的回收，增长系统做垃圾回收的最终时间
6. 尽量避免显式申请数组空间
7. 别用new Boolean()
在很多场景中Boolean类型是必须的，比如JDBC中boolean类型的set与get都是通过Boolean封装传递的，大部分ORM也是用Boolean来封装boolean类型的，比如：
ps.setBoolean("isClosed",new Boolean(true));
ps.setBoolean("isClosed",new Boolean(isClosed));
ps.setBoolean("isClosed",new Boolean(i==3));
通常这些系统中构造的Boolean实例的个数是相当多的，所以系统中充满了大量Boolean实例小对象，这是相当消耗内存的。Boolean类实际上只要两个实例就够了，一个true的实例，一个false的实例。
Boolean类提供两了个静态变量：
public static final Boolean TRUE = new Boolean(true);
public static final Boolean FALSE = new Boolean(false);
需要的时候只要取这两个变量就可以了，
比如：ps.setBoolean("isClosed",Boolean.TRUE);
那么象2、3句那样要根据一个boolean变量来创建一个Boolean怎么办呢?可以使用Boolean提供的静态方法：Boolean.valueOf（）
比如：
ps.setBoolean("isClosed",Boolean.valueOf(isClosed));
ps.setBoolean("isClosed",Boolean.valueOf(i==3));
因为valueOf的内部实现是：return (b ? TRUE : FALSE);
所以可以节省大量内存。相信如果Java规范直接把Boolean的构造函数规定成private，就再也不会出现这种情况了。
8. 别用new Integer
和Boolean类似，java开发中使用Integer封装int的场合也非常多，并且通常用int表示的数值通常都非常小。SUN SDK中对Integer的实例化进行了优化,Integer类缓存了-128到127这256个状态的Integer，如果使用 Integer.valueOf(int i)，传入的int范围正好在此内，就返回静态实例。这样如果我们使用Integer.valueOf代替new Integer的话也将大大降低内存的占用。如果您的系统要在不同的SDK（比如IBM SDK）中使用的话，那么可以自己做了工具类封装一下，比如IntegerUtils.valueOf(),这样就可以在任何SDK中都可以使用这种特性。
9. 不要用StringBuffer代替字符串相加
10. 不要过滥使用哈希表
有一定开发经验的开发人员经常会使用hash表（hash表在JDK中的一个实现就是 HashMap）来缓存一些数据，从而提高系统的运行速度。比如使用HashMap缓存一些物料信息、人员信息等基础资料，这在提高系统速度的同时也加大了系统的内存占用，特别是当缓存的资料比较多的时候。其实我们可以使用操作系统中的缓存的概念来解决这个问题，也就是给被缓存的分配一个一定大小的缓存容器，按照一定的算法淘汰不需要继续缓存的对象，这样一方面会因为进行了对象缓存而提高了系统的运行效率，同时由于缓存容器不是无限制扩大，从而也减少了系统的内存占用。现在有很多开源的缓存实现项目，比如ehcache、oscache等，这些项目都实现了FIFO、MRU等常见的缓存算法。
11. 避免过深的类层次结构和过深的方法调用。因为这两者都是非常占用内存的（特别是方法调用更是堆栈空间的消耗大户）。
12. 变量只有在用到它的时候才定义和实例化。
13. 共享静态存储空间
我们都知道静态变量在程序运行期间其内存是共享的,因此有时候为了节约内存工件,将一些变量声明为静态变量确实可以起到节约内存空间的作用。但是由于静态变量生命周期很长,不易被系统回收,所以使用静态变量要合理,不能盲目的使用.以免适得其反。
因此建议在下面情况下使用:变量所包含的对象体积较大,占用内存过多；变量所包含对象生命周期较长；变量所包含数据稳定；该类的对象实例有对该变量所包含的对象的共享需求.(也就是说是否需要作为全局变量)。