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引言
Java的堆是一個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū),類的實(shí)例(對(duì)象)從中分配空間。Java虛擬機(jī)(JVM)的堆中儲(chǔ)存著正在運(yùn)行的應(yīng)用程序所建立的所有對(duì)象，這些對(duì)象通過(guò)new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立，但是它們不需要程序代碼來(lái)顯式地釋放。一般來(lái)說(shuō)，堆的是由垃圾回收 來(lái)負(fù)責(zé)的，盡管JVM規(guī)范并不要求特殊的垃圾回收技術(shù)，甚至根本就不需要垃圾回收，但是由于內(nèi)存的有限性，JVM在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候都有一個(gè)由垃圾回收所管理的堆。垃圾回收是一種動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理技術(shù)，它自動(dòng)地釋放不再被程序引用的對(duì)象，按照特定的垃圾收集算法來(lái)實(shí)現(xiàn)資源自動(dòng)回收的功能。
垃圾收集的意義
在C++中，對(duì)象所占的內(nèi)存在程序結(jié)束運(yùn)行之前一直被占用，在明確釋放之前不能分配給其它對(duì)象；而在Java中，當(dāng)沒(méi)有對(duì)象引用指向原先分配給某個(gè)對(duì)象的內(nèi)存時(shí)，該內(nèi)存便成為垃圾。JVM的一個(gè)系統(tǒng)級(jí)線程會(huì)自動(dòng)釋放該內(nèi)存塊。垃圾收集意味著程序不再需要的對(duì)象是"無(wú)用信息"，這些信息將被丟棄。當(dāng)一個(gè)對(duì)象不再被引用的時(shí)候，內(nèi)存回收它占領(lǐng)的空間，以便空間被后來(lái)的新對(duì)象使用。事實(shí)上，除了釋放沒(méi)用的對(duì)象，垃圾收集也可以清除內(nèi)存記錄碎片。由于創(chuàng)建對(duì)象和垃圾收集器釋放丟棄對(duì)象所占的內(nèi)存空間，內(nèi)存會(huì)出現(xiàn)碎片。碎片是分配給對(duì)象的內(nèi)存塊之間的空閑內(nèi)存洞。碎片整理將所占用的堆內(nèi)存移到堆的一端，JVM將整理出的內(nèi)存分配給新的對(duì)象。
垃圾收集能自動(dòng)釋放內(nèi)存空間，減輕編程的負(fù)擔(dān)。這使Java 虛擬機(jī)具有一些優(yōu)點(diǎn)。首先，它能使編程效率提高。在沒(méi)有垃圾收集機(jī)制的時(shí)候，可能要花許多時(shí)間來(lái)解決一個(gè)難懂的存儲(chǔ)器問(wèn)題。在用Java語(yǔ)言編程的時(shí)候，靠垃圾收集機(jī)制可大大縮短時(shí)間。其次是它保護(hù)程序的完整性, 垃圾收集是Java語(yǔ)言安全性策略的一個(gè)重要部份。
垃圾收集的一個(gè)潛在的缺點(diǎn)是它的開(kāi)銷影響程序性能。Java虛擬機(jī)必須追蹤運(yùn)行程序中有用的對(duì)象, 而且最終釋放沒(méi)用的對(duì)象。這一個(gè)過(guò)程需要花費(fèi)處理器的時(shí)間。其次垃圾收集算法的不完備性，早先采用的某些垃圾收集算法就不能保證100%收集到所有的廢棄內(nèi)存。當(dāng)然隨著垃圾收集算法的不斷改進(jìn)以及軟硬件運(yùn)行效率的不斷提升，這些問(wèn)題都可以迎刃而解。
垃圾收集的算法分析
Java語(yǔ)言規(guī)范沒(méi)有明確地說(shuō)明JVM使用哪種垃圾回收算法，但是任何一種垃圾收集算法一般要做2件基本的事情：（1）發(fā)現(xiàn)無(wú)用信息對(duì)象；（2）回收被無(wú)用對(duì)象占用的內(nèi)存空間，使該空間可被程序再次使用。
大多數(shù)垃圾回收算法使用了根集(root set)這個(gè)概念；所謂根集就量正在執(zhí)行的Java程序可以訪問(wèn)的引用變量的集合(包括局部變量、參數(shù)、類變量)，程序可以使用引用變量訪問(wèn)對(duì)象的屬性和調(diào)用對(duì)象的方法。垃圾收集首選需要確定從根開(kāi)始哪些是可達(dá)的和哪些是不可達(dá)的，從根集可達(dá)的對(duì)象都是活動(dòng)對(duì)象，它們不能作為垃圾被回收，這也包括從根集間接可達(dá)的對(duì)象。而根集通過(guò)任意路徑不可達(dá)的對(duì)象符合垃圾收集的條件，應(yīng)該被回收。下面介紹幾個(gè)常用的算法。
1、 引用計(jì)數(shù)法(Reference Counting Collector)
引用計(jì)數(shù)法是唯一沒(méi)有使用根集的垃圾回收的法，該算法使用引用計(jì)數(shù)器來(lái)區(qū)分存活對(duì)象和不再使用的對(duì)象。一般來(lái)說(shuō)，堆中的每個(gè)對(duì)象對(duì)應(yīng)一個(gè)引用計(jì)數(shù)器。當(dāng)每一次創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象并賦給一個(gè)變量時(shí)，引用計(jì)數(shù)器置為1。當(dāng)對(duì)象被賦給任意變量時(shí)，引用計(jì)數(shù)器每次加1當(dāng)對(duì)象出了作用域后(該對(duì)象丟棄不再使用)，引用計(jì)數(shù)器減1，一旦引用計(jì)數(shù)器為0，對(duì)象就滿足了垃圾收集的條件。
基于引用計(jì)數(shù)器的垃圾收集器運(yùn)行較快，不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間中斷程序執(zhí)行，適宜地必須 實(shí)時(shí)運(yùn)行的程序。但引用計(jì)數(shù)器增加了程序執(zhí)行的開(kāi)銷，因?yàn)槊看螌?duì)象賦給新的變量，計(jì)數(shù)器加1，而每次現(xiàn)有對(duì)象出了作用域生，計(jì)數(shù)器減1。
2、tracing算法(Tracing Collector)
tracing算法是為了解決引用計(jì)數(shù)法的問(wèn)題而提出，它使用了根集的概念。基于tracing算法的垃圾收集器從根集開(kāi)始掃描，識(shí)別出哪些對(duì)象可達(dá)，哪些對(duì)象不可達(dá)，并用某種方式標(biāo)記可達(dá)對(duì)象，例如對(duì)每個(gè)可達(dá)對(duì)象設(shè)置一個(gè)或多個(gè)位。在掃描識(shí)別過(guò)程中，基于tracing算法的垃圾收集也稱為標(biāo)記和清除(mark-and-sweep)垃圾收集器.
3、compacting算法(Compacting Collector)
為了解決堆碎片問(wèn)題，基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想，在清除的過(guò)程中，算法將所有的對(duì)象移到堆的一端，堆的另一端就變成了一個(gè)相鄰的空閑內(nèi)存區(qū)，收集器會(huì)對(duì)它移動(dòng)的所有對(duì)象的所有引用進(jìn)行更新，使得這些引用在新的位置能識(shí)別原來(lái) 的對(duì)象。在基于Compacting算法的收集器的實(shí)現(xiàn)中，一般增加句柄和句柄表。
4、copying算法(Coping Collector)
該算法的提出是為了克服句柄的開(kāi)銷和解決堆碎片的垃圾回收。它開(kāi)始時(shí)把堆分成 一個(gè)對(duì)象 面和多個(gè)空閑面， 程序從對(duì)象面為對(duì)象分配空間，當(dāng)對(duì)象滿了，基于coping算法的垃圾 收集就從根集中掃描活動(dòng)對(duì)象，并將每個(gè) 活動(dòng)對(duì)象復(fù)制到空閑面(使得活動(dòng)對(duì)象所占的內(nèi)存之間沒(méi)有空閑洞)，這樣空閑面變成了對(duì)象面，原來(lái)的對(duì)象面變成了空閑面，程序會(huì)在新的對(duì)象面中分配內(nèi)存。
一種典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它將堆分成對(duì)象面和空閑區(qū)域面，在對(duì)象面與空閑區(qū)域面的切換過(guò)程中，程序暫停執(zhí)行。
5、generation算法(Generational Collector)
stop-and-copy垃圾收集器的一個(gè)缺陷是收集器必須復(fù)制所有的活動(dòng)對(duì)象，這增加了程序等待時(shí)間，這是coping算法低效的原因。在程序設(shè)計(jì)中有這樣的規(guī)律：多數(shù)對(duì)象存在的時(shí)間比較短，少數(shù)的存在時(shí)間比較長(zhǎng)。因此，generation算法將堆分成兩個(gè)或多個(gè)，每個(gè)子堆作為對(duì)象的一代(generation)。由于多數(shù)對(duì)象存在的時(shí)間比較短，隨著程序丟棄不使用的對(duì)象，垃圾收集器將從最年輕的子堆中收集這些對(duì)象。在分代式的垃圾收集器運(yùn)行后，上次運(yùn)行存活下來(lái)的對(duì)象移到下一最高代的子堆中，由于老一代的子堆不會(huì)經(jīng)常被回收，因而節(jié)省了時(shí)間。
6、adaptive算法(Adaptive Collector)
在特定的情況下，一些垃圾收集算法會(huì)優(yōu)于其它算法。基于Adaptive算法的垃圾收集器就是監(jiān)控當(dāng)前堆的使用情況，并將選擇適當(dāng)算法的垃圾收集器。
透視Java垃圾回收
1、命令行參數(shù)透視垃圾收集器的運(yùn)行
2、使用System.gc()可以不管JVM使用的是哪一種垃圾回收的算法，都可以請(qǐng)求Java的垃圾回收。在命令行中有一個(gè)參數(shù)-verbosegc可以查看Java使用的堆內(nèi)存的情況，它的格式如下：
java -verbosegc classfile
可以看個(gè)例子：
class TestGC
{
public static void main(String[] args)
{
new TestGC();
System.gc();
System.runFinalization();
}
}
在這個(gè)例子中，一個(gè)新的對(duì)象被創(chuàng)建，由于它沒(méi)有使用，所以該對(duì)象迅速地變?yōu)榭蛇_(dá)，程序編譯后，執(zhí)行命令： java -verbosegc TestGC 后結(jié)果為：
[Full GC 168K->97K(1984K), 0.0253873 secs]
機(jī)器的環(huán)境為，Windows 2000 + JDK1.3.1,箭頭前后的數(shù)據(jù)168K和97K分別表示垃圾收集GC前后所有存活對(duì)象使用的內(nèi)存容量，說(shuō)明有168K-97K=71K的對(duì)象容量被回收，括號(hào)內(nèi)的數(shù)據(jù)1984K為堆內(nèi)存的總?cè)萘浚占枰臅r(shí)間是0.0253873秒（這個(gè)時(shí)間在每次執(zhí)行的時(shí)候會(huì)有所不同）。
2、finalize方法透視垃圾收集器的運(yùn)行
在JVM垃圾收集器收集一個(gè)對(duì)象之前 ，一般要求程序調(diào)用適當(dāng)?shù)姆椒ㄡ尫刨Y源，但在沒(méi)有明確釋放資源的情況下，Java提供了缺省機(jī)制來(lái)終止化該對(duì)象心釋放資源，這個(gè)方法就是finalize（）。它的原型為：
protected void finalize() throws Throwable
在finalize()方法返回之后，對(duì)象消失，垃圾收集開(kāi)始執(zhí)行。原型中的throws Throwable表示它可以拋出任何類型的異常。
之所以要使用finalize()，是由于有時(shí)需要采取與Java的普通方法不同的一種方法，通過(guò)分配內(nèi)存來(lái)做一些具有C風(fēng)格的事情。這主要可以通過(guò)"固有方法"來(lái)進(jìn)行，它是從Java里調(diào)用非Java方法的一種方式。C和C++是目前唯一獲得固有方法支持的語(yǔ)言。但由于它們能調(diào)用通過(guò)其他語(yǔ)言編寫(xiě)的子程序，所以能夠有效地調(diào)用任何東西。在非Java代碼內(nèi)部，也許能調(diào)用C的malloc()系列函數(shù)，用它分配存儲(chǔ)空間。而且除非調(diào)用了free()，否則存儲(chǔ)空間不會(huì)得到釋放，從而造成內(nèi)存"漏洞"的出現(xiàn)。當(dāng)然，free()是一個(gè)C和C++函數(shù)，所以我們需要在finalize()內(nèi)部的一個(gè)固有方法中調(diào)用它。也就是說(shuō)我們不能過(guò)多地使用finalize()，它并不是進(jìn)行普通清除工作的理想場(chǎng)所。
在普通的清除工作中，為清除一個(gè)對(duì)象，那個(gè)對(duì)象的用戶必須在希望進(jìn)行清除的地點(diǎn)調(diào)用一個(gè)清除方法。這與C++"破壞器"的概念稍有抵觸。在C++中，所有對(duì)象都會(huì)破壞（清除）。或者換句話說(shuō)，所有對(duì)象都"應(yīng)該"破壞。若將C++對(duì)象創(chuàng)建成一個(gè)本地對(duì)象，比如在堆棧中創(chuàng)建（在Java中是不可能的），那么清除或破壞工作就會(huì)在"結(jié)束花括號(hào)"所代表的、創(chuàng)建這個(gè)對(duì)象的作用域的末尾進(jìn)行。若對(duì)象是用new創(chuàng)建的（類似于Java），那么當(dāng)程序員調(diào)用C++的delete命令時(shí)（Java沒(méi)有這個(gè)命令），就會(huì)調(diào)用相應(yīng)的破壞器。若程序員忘記了，那么永遠(yuǎn)不會(huì)調(diào)用破壞器，我們最終得到的將是一個(gè)內(nèi)存"漏洞"，另外還包括對(duì)象的其他部分永遠(yuǎn)不會(huì)得到清除。
相反，Java不允許我們創(chuàng)建本地（局部）對(duì)象--無(wú)論如何都要使用new。但在Java中，沒(méi)有"delete"命令來(lái)釋放對(duì)象，因?yàn)槔占鲿?huì)幫助我們自動(dòng)釋放存儲(chǔ)空間。所以如果站在比較簡(jiǎn)化的立場(chǎng)，我們可以說(shuō)正是由于存在垃圾收集機(jī)制，所以Java沒(méi)有破壞器。然而，隨著以后學(xué)習(xí)的深入，就會(huì)知道垃圾收集器的存在并不能完全消除對(duì)破壞器的需要，或者說(shuō)不能消除對(duì)破壞器代表的那種機(jī)制的需要（而且絕對(duì)不能直接調(diào)用finalize()，所以應(yīng)盡量避免用它）。若希望執(zhí)行除釋放存儲(chǔ)空間之外的其他某種形式的清除工作，仍然必須調(diào)用Java中的一個(gè)方法。它等價(jià)于C++的破壞器，只是沒(méi)后者方便。
下面這個(gè)例子向大家展示了垃圾收集所經(jīng)歷的過(guò)程，并對(duì)前面的陳述進(jìn)行了總結(jié)。
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);
}
}
上面這個(gè)程序創(chuàng)建了許多Chair對(duì)象，而且在垃圾收集器開(kāi)始運(yùn)行后的某些時(shí)候，程序會(huì)停止創(chuàng)建Chair。由于垃圾收集器可能在任何時(shí)間運(yùn)行，所以我們不能準(zhǔn)確知道它在何時(shí)啟動(dòng)。因此，程序用一個(gè)名為gcrun的標(biāo)記來(lái)指出垃圾收集器是否已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)行。利用第二個(gè)標(biāo)記f，Chair可告訴main()它應(yīng)停止對(duì)象的生成。這兩個(gè)標(biāo)記都是在finalize()內(nèi)部設(shè)置的，它調(diào)用于垃圾收集期間。另兩個(gè)static變量--created以及finalized--分別用于跟蹤已創(chuàng)建的對(duì)象數(shù)量以及垃圾收集器已進(jìn)行完收尾工作的對(duì)象數(shù)量。最后，每個(gè)Chair都有它自己的（非static）int i，所以能跟蹤了解它具體的編號(hào)是多少。編號(hào)為47的Chair進(jìn)行完收尾工作后，標(biāo)記會(huì)設(shè)為true，最終結(jié)束Chair對(duì)象的創(chuàng)建過(guò)程。（關(guān)于這個(gè)例子的更具體的分析和說(shuō)明請(qǐng)參看《Java編程思想》的第四章）
關(guān)于垃圾收集的幾點(diǎn)補(bǔ)充
經(jīng)過(guò)上述的說(shuō)明，可以發(fā)現(xiàn)垃圾回收有以下的幾個(gè)特點(diǎn)：
（1）垃圾收集發(fā)生的不可預(yù)知性：由于實(shí)現(xiàn)了不同的垃圾收集算法和采用了不同的收集機(jī)制，所以它有可能是定時(shí)發(fā)生，有可能是當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)空閑CPU資源時(shí)發(fā)生，也有可能是和原始的垃圾收集一樣，等到內(nèi)存消耗出現(xiàn)極限時(shí)發(fā)生，這與垃圾收集器的選擇和具體的設(shè)置都有關(guān)系。
（2）垃圾收集的精確性：主要包括2 個(gè)方面：（a）垃圾收集器能夠精確標(biāo)記活著的對(duì)象；（b）垃圾收集器能夠精確地定位對(duì)象之間的引用關(guān)系。前者是完全地回收所有廢棄對(duì)象的前提，否則就可能造成內(nèi)存泄漏。而后者則是實(shí)現(xiàn)歸并和復(fù)制等算法的必要條件。所有不可達(dá)對(duì)象都能夠可靠地得到回收，所有對(duì)象都能夠重新分配，允許對(duì)象的復(fù)制和對(duì)象內(nèi)存的縮并，這樣就有效地防止內(nèi)存的支離破碎。（3）現(xiàn)在有許多種不同的垃圾收集器，每種有其算法且其表現(xiàn)各異，既有當(dāng)垃圾收集開(kāi)始時(shí)就停止應(yīng)用程序的運(yùn)行，又有當(dāng)垃圾收集開(kāi)始時(shí)也允許應(yīng)用程序的線程運(yùn)行，還有在同一時(shí)間垃圾收集多線程運(yùn)行。
（4）垃圾收集的實(shí)現(xiàn)和具體的JVM 以及JVM的內(nèi)存模型有非常緊密的關(guān)系。不同的JVM 可能采用不同的垃圾收集，而JVM 的內(nèi)存模型決定著該JVM可以采用哪些類型垃圾收集。現(xiàn)在，HotSpot 系列JVM中的內(nèi)存系統(tǒng)都采用先進(jìn)的面向?qū)ο蟮目蚣茉O(shè)計(jì)，這使得該系列JVM都可以采用最先進(jìn)的垃圾收集。
（5）隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代垃圾收集技術(shù)提供許多可選的垃圾收集器，而且在配置每種收集器的時(shí)候又可以設(shè)置不同的參數(shù)，這就使得根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境獲得最優(yōu)的應(yīng)用性能成為可能。
針對(duì)以上特點(diǎn)，我們?cè)谑褂玫臅r(shí)候要注意：
（1）不要試圖去假定垃圾收集發(fā)生的時(shí)間，這一切都是未知的。比如，方法中的一個(gè)臨時(shí)對(duì)象在方法調(diào)用完畢后就變成了無(wú)用對(duì)象，這個(gè)時(shí)候它的內(nèi)存就可以被釋放。
（2）Java中提供了一些和垃圾收集打交道的類，而且提供了一種強(qiáng)行執(zhí)行垃圾收集的方法--調(diào)用System.gc()，但這同樣是個(gè)不確定的方法。Java 中并不保證每次調(diào)用該方法就一定能夠啟動(dòng)垃圾收集，它只不過(guò)會(huì)向JVM發(fā)出這樣一個(gè)申請(qǐng)，到底是否真正執(zhí)行垃圾收集，一切都是個(gè)未知數(shù)。
（3）挑選適合自己的垃圾收集器。一般來(lái)說(shuō)，如果系統(tǒng)沒(méi)有特殊和苛刻的性能要求，可以采用JVM的缺省選項(xiàng)。否則可以考慮使用有針對(duì)性的垃圾收集器，比如增量收集器就比較適合實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)之中。系統(tǒng)具有較高的配置，有比較多的閑置資源，可以考慮使用并行標(biāo)記/清除收集器。
（4）關(guān)鍵的也是難把握的問(wèn)題是內(nèi)存泄漏。良好的編程習(xí)慣和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)木幊虘B(tài)度永遠(yuǎn)是最重要的，不要讓自己的一個(gè)小錯(cuò)誤導(dǎo)致內(nèi)存出現(xiàn)大漏洞。
（5）盡早釋放無(wú)用對(duì)象的引用。大多數(shù)程序員在使用臨時(shí)變量的時(shí)候，都是讓引用變量在退出活動(dòng)域(scope)后，自動(dòng)設(shè)置為null，暗示垃圾收集器來(lái)收集該對(duì)象，還必須注意該引用的對(duì)象是否被監(jiān)聽(tīng)，如果有，則要去掉監(jiān)聽(tīng)器，然后再賦空值。
結(jié)束語(yǔ)
一般來(lái)說(shuō)，Java開(kāi)發(fā)人員可以不重視JVM中堆內(nèi)存的分配和垃圾處理收集，但是，充分理解Java的這一特性可以讓我們更有效地利用資源。同時(shí)要注意finalize()方法是Java的缺省機(jī)制，有時(shí)為確保對(duì)象資源的明確釋放，可以編寫(xiě)自己的finalize方法。