Java进阶--浅析垃圾回收和终结处理

从接触第一门编程语言开始我们就在不断强调，初始化变量是很重要的一件事情，尤其在C和C++中很明显，对于指针来说，定义一个指针不对它进行初始化，很有可能引发内存上的严重问题。但是我们也会常常忘记同样重要的清理工作。在Java中，垃圾回收器就负责回收无用对象占据的内存资源。

我们必须实施清理

在C++中，所有对象都会被销毁，或者说应该被销毁。如果C++创建了一个局部对象，此时的销毁动作发生在“右括号”为边界，此对象作用域的末尾处。如果对象是用new创建的，那么我们应该调用C++的delete操作符，也就会调用相应的析构函数，如果我们忘记调用delete，那么永远不会调用析构函数，这样就会出现内存泄漏，对象的其他部分也就得不到清理。

相反的是，Java不允许创建局部对象，必须使用new创建对象。在Java中也没有用于释放对象的delete，所以垃圾回收器会帮你释放存储空间。但是随着我们学习的深入，发现垃圾回收并不是万能的，也就是说我们不能认为垃圾回收器可以替代C++中的析构函数。所以如果我们希望进行除释放空间之外的清理工作，还是得明确调用某个恰当的Java方法。

我们须记得，无论是“垃圾回收”还是“终结”，都不一定保证会发生，如果Java虚拟机并未面临内存耗尽的情形，他是不会浪费时间去执行垃圾回收以恢复内存的。

垃圾回收器如何工作

现在我们开始大家感兴趣的话题，垃圾回收器到底是怎么工作的。首先从我们以前的认识上来说，在堆上创建对象的代价十分高昂，因此我们会自然的认为Java把所有的对象都在堆上创建的代价也十分高昂。但垃圾回收器对于提高对象的创建速度却有十分明显的效果。这的确是Java虚拟机的工作方式，所以Java从堆分配空间的速度，可以和其他语言从堆栈上分配空间的速度相媲美。

我们可以想象，在Java中堆就像一个传送带，每分配一个新对象，他就往前移动一格，这意味着对象存储空间的分配速度非常的快，Java的“堆指针”只是简单的移动到尚未分配的区域，其效率比得上C++在堆栈上分配空间的效率。

实际上，Java的堆并不完全像传送带那样，因为这势必会导致频繁的内存页面调度，将其移进移出硬盘，页面调度会显著的影响性能，最终在创建了足够多的对象之后，内存资源将会被耗尽。秘密就在垃圾回收器，垃圾回收器在工作的时候会一边回收内存，一边将堆中的对象紧凑排列，这样“堆指针”就能很容易的移动到更靠近传送带的开始处，也就尽量避免了内存错误。这是一种高速的，有无限空间可供分配的堆模型。

引用计数技术

我们如果想要先了解Java中的垃圾回收，先来看一种垃圾回收机制：引用计数。
它是一种很简单但速度很慢的垃圾回收技术。每个对象都有一个计数器，当有引用接至对象的时候，引用计数加1，当引用离开作用域或被置为null时，计数器减一，虽然对于它的管理开销不大，但是他会持续整个程序的生命周期。垃圾回收器会在含有全部对象的列表上遍历，当发现某个对象的引用计数为0时，就释放其占用的空间。这个方法有个缺陷，就是当对象进行循环引用的时候，对象应该会被回收，但引用计数却不为0。实际上，引用计数经常用来说明垃圾回收的工作方式，但似乎并未被应用于任何一种Java虚拟机中。

还有一些更快的模式，他们引用的思想是：对于任何“活”的对象，一定能最终追溯到其存活在堆栈或静态存储区之中的引用。这个引用链条可能会穿过数个对象层次。如果从堆栈和静态存储区开始，遍历所有的引用，就能找到所有活的对象，对于发现的每个引用，必须追踪他所引用的对象，然后是此对象包含的所有引用，如此反复进行，直到“根源于堆栈和静态存储区的引用”所形成的网络全部被访问为止，倒是有点类似于图的广度优先搜索。这就解决了对象的交互自引用的现象。

自适应垃圾回收技术

在这种技术中有一种名为“停止-复制”的方法，用来处理找到的活的对象。它是先暂停程序的运行，然后将所有存活的对象从当前堆复制到另一个堆，没有被复制的全部是垃圾，当对象被复制到新堆时，他们是一个紧挨一个的，就可以使用前述方法简单的，直接的分配新的空间了。

但是这种方法效率会比较低，有两个原因：首先得有两个堆，然后在这分离的两个堆之间来回倒腾，从而维护比实际需要多一倍的空间。某些java虚拟机会按需从堆中分配几块较大的内存，复制动作发生在这些大块内存之间。第二在于复制。程序进入稳定状态之后，可能只会产生少量垃圾，甚至没有垃圾，尽管如此，复制式回收器仍然会将所有内存自一处复制到另一处，很浪费。为了避免这种情况，一些Java虚拟机就会进行检查：要是没有新垃圾产生，就会转换到另一种工作模式。这种模式称为“标记-清扫”，它的思路和解决计数引所产生的对象自引用的思路很相似，只不过，它是找到一个“活”的对象就给它一个标记，这个过程并会回收任何对象，只有当标记工作完成的时候，清理动作才会开始，在清理的过程中，没有标记的对象将被释放，不会发生任何复制动作，因此得到的内存是不连续的。

在这里所讨论的Java虚拟机，内存分配都以较大的“块”为单位。如果对象较大，它会占用单独的块。严格来说，“停止-复制”要求在释放旧有对象之前，必须先把所有的存活对象从旧堆复制到新堆，这将导致大量的内存复制行为，有了“块”以后，垃圾回收器在回收的时候就可以直接往废弃的块里拷贝对象了。每个块都用相应的代数来记录它是否还存活，如果块在某处被引用，其代数会增加，垃圾回收器对上次回收动作之后新分配的块进行整理，这对处理大量短命的临时对象很有帮助。垃圾回收器会定期进行完整的清理动作。Java虚拟机会进行监视，如果所有对象都很稳定，垃圾回收器的效率低的话，就切换到“标记-清扫”的方式，最后如果堆空间又出现很多碎片，就会切换回“停止-复制”的方式。这就是“自适应技术”。

Java虚拟机中还有很多附加技术用以提升速度，好比：“即时”编译器技术和“惰性评估”，后一种方法现在比较普遍。

终结处理

在Java中，有一个名为finalize()的方法，他的工作原理假定是这样：一旦垃圾回收器准备好释放对象占用的存储空间，将首先调用其finalize方法，并且在下一次垃圾回收动作发生时，才会真正回收对象占用的内存。所以你要是打算用finalize方法，就能在垃圾回收时刻做一些重要的清理工作。

为什么有这个方法，因为在Java中有些对象可能不被垃圾回收;垃圾回收不等于C++中的析构。所以我们在不需要某个对象之前必须执行某些动作。Java并不提供析构，要做类似的工作，必须自己手动创建一个执行清理工作的普通方法。

其实垃圾回收器的运行时间是不确定的，由JVM确定，即使执行，也是间歇性执行，但JVM通常会在感到内存紧缺的时候去进行垃圾回收操作，也为执行垃圾回收也是需要开销的，如果过于频繁，势必导致效率的下降，如果随着程序的执行结束，垃圾回收器还是没有释放你创建的任何对象的存储空间，则随着程序的退出，资源会全部交还给OS。

无论是“垃圾回收”还是“终结”，都不保证一定会发生。如果Java虚拟机并未面临内存耗尽的情形，它是不会浪费时间去执行垃圾回收以恢复内存的。

终结条件

只要对象存在没有被适当清理的部分，程序就有很隐晦的缺陷。finalize方法可以用来最终发现这种情况，但是我们不能指望finalize方法。
以下是一个简单的例子：

import static java.lang.System.out;

/** * Created by paranoid on 17-3-21. */
class Book{
    boolean checkedout = false;

    Book(boolean checkout){
        checkedout = checkout;
    }

    void checkIn(){
        checkedout = false;
    }

    //进行终结处理
    protected void finalize(){
        if(checkedout){
            out.println("Error: checked out");
        }
    }
}

public class TerminationCondition {
    public static void main(String[] args){
        Book novel = new Book(true);
        novel.checkIn();

        new Book(true);

        System.gc();
    }
}

所有的Book对象在被当作垃圾回收之前都应该被签入（check in）。但是本例中有一本书未被签入。要是
没有finalize方法验证终结条件，将很难发现这种缺陷。

注：系统调用finalize方法的时间是不确定的，虽然System.gc()是强制回收但也只是通知系统尽快去处理。