歐陽辰 (yeekee@sina.com)
周欣 (zhouxin@sei.pku.edu.cn)

垃圾收集器(Garbage Collector，GC)對Java程序員來說，基本 上是透明的，但是一個優秀的Java程序員必須了解GC的工作原理、如何優化GC的性能、如何與GC進行有限的交互，因為有一些應用程序對性能要求較高，例如嵌入式系統、實時系統等，只有全面提升內存的管理效率 ,才能提高整個應用程序的性能。本篇文章首先簡單介紹GC的工作原理之后，然后再對GC的幾個關鍵問題進行深入探討，最后提出一些Java程序設計建議，從GC角度提高Java程序的性能。

一GC的基本原理

Java的內存管理實際上就是對象的管理，其中包括對象的分配和釋放。

對于程序員來說，分配對象使用new關鍵字；釋放對象時，只要將對象所有引用賦值為null，讓程序不能夠再訪問到這個對象，我們稱該對象為"不可達的"。GC將負責回收所有"不可達"對象的內存空間。

對于GC來說，當程序員創建對象時，GC就開始監控這個對象的地址、大小以及使用情況。通常，GC采用有向圖的方式記錄和管理堆(heap)中的所有對象(詳見參考資料1 )。通過這種方式確定哪些對象是"可達的"，哪些對象是"不可達的"。當GC確定一些對象為"不可達"時，GC就有責任回收這些內存空間。但是，為了保證GC能夠在不同平臺實現的問題，Java規范對GC的很多行為都沒有進行嚴格的規定。例如，對于采用什么類型的回收算法、什么時候進行回收等重要問題都沒有明確的規定。因此，不同的JVM的實現者往往有不同的實現算法。這也給Java程序員的開發帶來行多不確定性。本文研究了幾個與GC工作相關的問題，努力減少這種不確定性給Java程序帶來的負面影響。

二 增量式GC( Incremental GC )

GC在JVM中通常是由一個或一組進程來實現的，它本身也和用戶程序一樣占用heap空間，運行時也占用CPU。當GC進程運行時，應用程序停止運行。因此，當GC運行時間較長時，用戶能夠感到Java程序的停頓，另外一方面，如果GC運行時間太短，則可能對象回收率太低，這意味著還有很多應該回收的對象沒有被回收，仍然占用大量內存。因此，在設計GC的時候，就必須在停頓時間和回收率之間進行權衡。一個好的GC實現允許用戶定義自己所需要的設置，例如有些內存有限有設備，對內存的使用量非常敏感，希望GC能夠準確的回收內存，它并不在意程序速度的放慢。另外一些實時網絡游戲，就不能夠允許程序有長時間的中斷。增量式GC就是通過一定的回收算法，把一個長時間的中斷，劃分為很多個小的中斷，通過這種方式減少GC對用戶程序的影響。雖然，增量式GC在整體性能上可能不如普通GC的效率高，但是它能夠減少程序的最長停頓時間。

下圖就表示了，增量式GC和普通GC的比較。其中灰色部分表示線程占用CPU的時間。

Sun JDK提供的HotSpot JVM就能支持增量式GC。HotSpot JVM缺省GC方式為不使用增量GC，為了啟動增量GC，我們必須在運行Java程序時增加-Xincgc的參數。HotSpot JVM增量式GC的實現是采用Train GC算法。它的基本想法就是，將堆中的所有對象按照創建和使用情況進行分組(分層)，將使用頻繁高和具有相關性的對象放在一隊中，隨著程序的運行，不斷對組進行調整。當GC運行時，它總是先回收最老的(最近很少訪問的)的對象，如果整組都為可回收對象，GC將整組回收。這樣，每次GC運行只回收一定比例的不可達對象，保證程序的順暢運行。Train GC算法是一個非常好的算法，具體算法見參考資料4。

三 詳解finalize函數

finalize是位于Object類的一個方法，該方法的訪問修飾符為protected，由于所有類為Object的子類，因此用戶類很容易訪問到這個方法。由于，finalize函數沒有自動實現鏈式調用，我們必須手動的實現，因此finalize函數的最后一個語句通常是super.finalize()。通過這種方式，我們可以實現從下到上實現finalize的調用，即先釋放自己的資源，然后再釋放父類的資源。

根據Java語言規范，JVM保證調用finalize函數之前，這個對象是不可達的，但是JVM不保證這個函數一定會被調用。另外，規范還保證finalize函數最多運行一次。

很多Java初學者會認為這個方法類似與C++中的析構函數，將很多對象、資源的釋放都放在這一函數里面。其實，這不是一種很好的方式。原因有三，其一，GC為了能夠支持finalize函數，要對覆蓋這個函數的對象作很多附加的工作。其二，在finalize運行完成之后，該對象可能變成可達的，GC還要再檢查一次該對象是否是可達的。因此，使用finalize會降低GC的運行性能。其三，由于GC調用finalize的時間是不確定的，因此通過這種方式釋放資源也是不確定的。

通常，finalize用于一些不容易控制、并且非常重要資源的釋放，例如一些I/O的操作，數據的連接。這些資源的釋放對整個應用程序是非常關鍵的。在這種情況下，程序員應該以通過程序本身管理(包括釋放)這些資源為主，以finalize函數釋放資源方式為輔，形成一種雙保險的管理機制，而不應該僅僅依靠finalize來釋放資源。

下面給出一個例子說明，finalize函數被調用以后，仍然可能是可達的，同時也可說明一個對象的finalize只可能運行一次。

class MyObject{
    Test main; //記錄Test對象，在finalize中時用于恢復可達性
    public MyObject(Test t)
    {	 
	main=t; //保存Test 對象
    }
    protected void finalize()
    {
	main.ref=this;// 恢復本對象，讓本對象可達
	System.out.println("This is finalize");//用于測試finalize只運行一次
    }
}

class Test {
	MyObject ref;
 	public static void main(String[] args) {
 		Test test=new Test();
 		test.ref=new MyObject(test);
 		test.ref=null; //MyObject對象為不可達對象，finalize將被調用
 		System.gc(); 
 		if (test.ref!=null) System.out.println("My Object還活著");	
	}
}

運行結果：
This is finalize
MyObject還活著

此例子中，需要注意的是雖然MyObject對象在finalize中變成可達對象，但是下次回收時候，finalize卻不再被調用，因為finalize函數最多只調用一次。

四 程序如何與GC進行交互

Java2增強了內存管理功能， 增加了一個java.lang.ref包，其中定義了三種引用類。這三種引用類分別為SoftReference、WeakReference和PhantomReference。通過使用這些引用類，程序員可以在一定程度與GC進行交互，以便改善GC的工作效率。這些引用類的引用強度介于可達對象和不可達對象之間。它們的引用強度如下圖所示：

創建一個引用對象也非常容易，例如如果你需要創建一個Soft Reference對象，那么首先創建一個對象，并采用普通引用方式(可達對象)；然后再創建一個SoftReference引用該對象；最后將普通引用設置為null。通過這種方式，這個對象就只有一個Soft Reference引用。同時，我們稱這個對象為Soft Reference 對象。

Soft Reference的主要特點是據有較強的引用功能。只有當內存不夠的時候，才進行回收這類內存，因此在內存足夠的時候，它們通常不被回收。另外，這些引用對象還能保證在Java拋出OutOfMemory 異常之前，被設置為null。它可以用于實現一些常用圖片的緩存，實現Cache的功能，保證最大限度的使用內存而不引起OutOfMemory。以下給出這種引用類型的使用偽代碼；

//申請一個圖像對象
Image image=new Image();//創建Image對象
…
//使用 image
…
//使用完了image，將它設置為soft 引用類型，并且釋放強引用；
SoftReference sr=new SoftReference(image);
image=null;
	…
	//下次使用時
	if (sr!=null) image=sr.get();
	else{
	//由于GC由于低內存，已釋放image，因此需要重新裝載；
	image=new Image();
sr=new SoftReference(image);
}

Weak引用對象與Soft引用對象的最大不同就在于：GC在進行回收時，需要通過算法檢查是否回收Soft引用對象，而對于Weak引用對象，GC總是進行回收。Weak引用對象更容易、更快被GC回收。雖然，GC在運行時一定回收Weak對象，但是復雜關系的Weak對象群常常需要好幾次GC的運行才能完成。Weak引用對象常常用于Map結構中，引用數據量較大的對象，一旦該對象的強引用為null時，GC能夠快速地回收該對象空間。該例子見參考資料4;

Phantom引用的用途較少，主要用于輔助finalize函數的使用。Phantom對象指一些對象，它們執行完了finalize函數，并為不可達對象，但是它們還沒有被GC回收。這種對象可以輔助finalize進行一些后期的回收工作，我們通過覆蓋Reference的clear()方法，增強資源回收機制的靈活性。

五一些Java編碼的建議

根據GC的工作原理，我們可以通過一些技巧和方式，讓GC運行更加有效率，更加符合應用程序的要求。以下就是一些程序設計的幾點建議。

1. 最基本的建議就是盡早釋放無用對象的引用。大多數程序員在使用臨時變量的時候，都是讓引用變量在退出活動域(scope)后，自動設置為null。我們在使用這種方式時候，必須特別注意一些復雜的對象圖，例如數組，隊列，樹，圖等，這些對象之間有相互引用關系較為復雜。對于這類對象，GC回收它們一般效率較低。如果程序允許，盡早將不用的引用對象賦為null。這樣可以加速GC的工作。
2. 盡量少用finalize函數。finalize函數是Java提供給程序員一個釋放對象或資源的機會。但是，它會加大GC的工作量，因此盡量少采用finalize方式回收資源。
3. 如果需要使用經常使用的圖片，可以使用soft應用類型。它可以盡可能將圖片保存在內存中，供程序調用，而不引起OutOfMemory。
4. 注意集合數據類型，包括數組，樹，圖，鏈表等數據結構，這些數據結構對GC來說，回收更為復雜。另外，注意一些全局的變量，以及一些靜態變量。這些變量往往容易引起懸掛對象(dangling reference)，造成內存浪費。
5. 當程序有一定的等待時間，程序員可以手動執行System.gc()，通知GC運行，但是Java語言規范并不保證GC一定會執行。使用增量式GC可以縮短Java程序的暫停時間。

參考資料

文章

1. 歐陽辰，周欣 "Java與內存泄漏" http://www-900.ibm.com/developerWorks/cn/java/l-JavaMemoryLeak/index.shtml
2. Y. Srinivas Ramakrishna "Atuomatic Memory Management in the Java HotSpot Virtual Machine"，此文章JavaOne2002的演講材料, http://java.sun.com/javaone
3. Monica Pawlan "Reference Objects and Garbage Collector" 此文章為JDC的文章，可在http://developer.java.sun.com/上找到
4. Bill Venners Chapter 9 of "Inside the Java 2 Virtual Machine" http://www.artima.com/insidejvm/ed2/ch09GarbageCollectionPrint.html
5. Sun Microsystems, "Java Language Specification, Second Version"

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