java — 垃圾回收

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1. 垃圾回收的意义

在java中，当没有对象指向原先分配给某个对象的内存的时候，这片内存就变成了垃圾，JVM的一个系统级线程就会自动释放这个内存块，垃圾回收意味着程序不再需要的对象是“无用的信息”，这些信息会被丢弃。当一个对象不再被引用的时候，内存回收它所占用的空间，以便将空间用来存放后续的新对象。

除了①释放没用的对象，垃圾回收还可以②清除内存记忆碎片，由于创建对象和垃圾回收期释放丢弃对象所占的内存空间，内存会出现碎片，碎片是分配给对象的内存块之间的空闲内存洞。碎片整理将所占用的对内存移动到堆的一段，JVM将整理出的内存分配给新的对象。

由于JVM的垃圾自动回收机制，减轻了编程的负担，提高了编程效率，在没有垃圾自动回收机制的情况下，想要理解存储器问题是非常困难的；其次是保护程序的完整性，垃圾回收是java语言安全性策略的一个重要部分。

2.垃圾回收算法分析

任何一种垃圾回收算法一般要做2件基本的事情：

（1）发现无用信息对象；

（2）回收被无用对象占用的内存空间，使该空间可被程序再次使用。

大多数的垃圾回收算法引入了根集（root set）的概念，所谓的根集指的是正在执行的java程序可以访问的引用变量的集合（包括局部变量、参数和类变量），程序可以使用引用变了访问对象的属性和调用对象的方法。垃圾回收首先需要确定从根开始哪些是可达的和哪些是不可达的，从根集可达的对象都是活动对象，它们不能作为垃圾回收（包括间接可达的对象），而根集通过任意路径都不可达的对象符合垃圾回收的条件。

①引用计数法

引用计数法是唯一一个没有使用根集的垃圾回收的方法，该算法使用引用计数器来区分存活对象和不再使用的对象。一般来说，堆中每个对象对应一个引用计数器，当每一次创建一个对象并赋值给一个变量时，引用计数器置为1，当对象被赋给任意变量的时候，引用计数器每次加1，当对象出了作用域以后（该对象丢弃不能使用），引用计数器减1，一旦引用计数器为0，对象就满足了垃圾回收的条件。

基于引用计数器的垃圾收集器运行较快，不会长时间中断程序执行，适宜地必须实时运行的程序。但引用计数器增加了程序执行的开销，因为每次对象赋给新的变量，计数器加1，而每次现有对象出了作用域生，计数器减1。

②tracing算法（Tracing Collector）

tracing算法是为了解决引用计数器的问题而提出的，它使用了根集的概念。基于tracing算法的垃圾收集器从根集开始扫描，识别出哪些对象可达，哪些对象不可达，并用某种方法标识这些可达对象，例如对每个可达对象设置一个或者多个位。在扫描识别过程中，基于tracing算法的垃圾收集也称为标记和清除（mark-and-sweep）垃圾收集器。

③compacting算法（Compacting Collector）

为了解决堆碎片问题，基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想，在清除的过程中，算法将所有的对象移到堆的一端，堆的另一端就变成了一个相邻的空闲内存区，收集器会对它移动的所有对象的所有引用进行更新，使得这些引用在新的位置能识别原来的对象。在基于Compacting算法的收集器的实现中，一般增加句柄和句柄表。

④copying算法（Coping Collector）

该算法的提出是为了克服句柄的开销和解决堆碎片的垃圾回收。它开始的时候，将堆分成一个对象区和多个空闲区，程序从对象区为对象分配空间，当对象满了，基于coping算法的垃圾回收就从根集中扫描活动对象，并将每个活动对象复制到空闲区（使得活动对象所占的内存之间没有空闲间隔），这样空闲区变成了对象区，原来的对象区变成了空闲区，程序会在新的对象区中分配内存。

一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它将堆分成对象区和空闲区域区，在对象区与空闲区域的切换过程中，程序暂停执行。

⑤adaptive算法（Adaptive Collector）

在特定的情况下，一些垃圾收集算法会优于其它算法。基于Adaptive算法的垃圾收集器就是监控当前堆的使用情况，并将选择适当算法的垃圾收集器。

3.System.gc()方法

调用System.gc()也仅仅是一个请求(建议)。JVM接受这个消息后，并不是立即做垃圾回收，而只是对几个垃圾回收算法做了加权，使垃圾回收操作容易发生，或提早发生，或回收较多而已。

gc()函数的作用只是提醒虚拟机：程序员希望进行一次垃圾回收。但是它不能保证垃圾回收一定会进行，而且具体什么时候进行是取决于具体的虚拟机的，不同的虚拟机有不同的对策。

4.finalize()方法

在JVM垃圾回收器收集一个对象之前，一般要求程序调用适当的方法释放资源，但在没有明确释放资源的情况下，Java提供了缺省机制来终止该对象心释放资源，这个方法就是finalize（）。它的原型为：
protected void finalize() throws Throwable

在finalize()方法返回之后，对象消失，垃圾收集开始执行。原型中的throws Throwable表示它可以抛出任何类型的异常。
之所以要使用finalize()，是存在着垃圾回收器不能处理的特殊情况。假定你的对象（并非使用new方法）获得了一块“特殊”的内存区域，由于垃圾回收器只知道那些显示地经由new分配的内存空间，所以它不知道该如何释放这块“特殊”的内存区域，那么这个时候java允许在类中定义一个由finalize()方法。

特殊的区域例如：

（1）由于在分配内存的时候可能采用了类似C语言的做法，而非JAVA的通常new做法。这种情况主要发生在native method中，比如native method调用了C/C++方法malloc()函数系列来分配存储空间，但是除非调用free()函数，否则这些内存空间将不会得到释放，那么这个时候就可能造成内存泄漏。但是由于free()方法是在C/C++中的函数，所以finalize()中可以用本地方法来调用它。以释放这些“特殊”的内存空间。

  （2）又或者打开的文件资源，这些资源不属于垃圾回收器的回收范围。
      换言之，finalize()的主要用途是释放一些其他做法开辟的内存空间，以及做一些清理工作。因为在JAVA中并没有提够像“析构”函数或者类似概念的函数，要做一些类似清理工作的时候，必须自己动手创建一个执行清理工作的普通方法，也就是override Object这个类中的finalize()方法。例如，假设某一个对象在创建过程中会将自己绘制到屏幕上，如果不是明确地从屏幕上将其擦出，它可能永远都不会被清理。如果在finalize()加入某一种擦除功能，当GC工作时，finalize()得到了调用，图像就会被擦除。要是GC没有发生，那么这个图像就会被一直保存下来。

一旦垃圾回收器准备好释放对象占用的存储空间，首先会去调用finalize()方法进行一些必要的清理工作。只有到下一次再进行垃圾回收动作的时候，才会真正释放这个对象所占用的内存空间。

在普通的清除工作中，为清除一个对象，那个对象的用户必须在希望进行清除的地点调用一个清除方法。这与C++"析构函数"的概念稍有抵触。在C++中，所有对象都会破坏（清除）。或者换句话说，所有对象都"应该"破坏。若将C++对象创建成一个本地对象，比如在堆栈中创建（在Java中是不可能的，Java都在堆中），那么清除或破坏工作就会在"结束花括号"所代表的、创建这个对象的作用域的末尾进行。若对象是用new创建的（类似于Java），那么当程序员调用C++的 delete命令时（Java没有这个命令），就会调用相应的析构函数。若程序员忘记了，那么永远不会调用析构函数，我们最终得到的将是一个内存"漏洞"，另外还包括对象的其他部分永远不会得到清除。

相反，Java不允许我们创建本地（局部）对象--无论如何都要使用new。但在Java中，没有"delete"命令来释放对象，因为垃圾回收器会帮助我们自动释放存储空间。所以如果站在比较简化的立场，我们可以说正是由于存在垃圾回收机制，所以Java没有析构函数。然而，随着以后学习的深入，就会知道垃圾收集器的存在并不能完全消除对析构函数的需要，或者说不能消除对析构函数代表的那种机制的需要（原因见下一段。另外finalize()函数是在垃圾回收器准备释放对象占用的存储空间的时候被调用的，绝对不能直接调用finalize()，所以应尽量避免用它）。若希望执行除释放存储空间之外的其他某种形式的清除工作，仍然必须调用Java中的一个方法。它等价于C++的析构函数，只是没后者方便。

在C++中所有的对象运用delete()一定会被销毁，而JAVA里的对象并非总会被垃圾回收器回收，即：

1. 对象可能不被垃圾回收；

2. 垃圾回收并不等于“析构”；

3. 垃圾回收只与内存有关。

也就是说，并不是如果一个对象不再被使用，是不是要在finalize()中释放这个对象中含有的其它对象呢？不是的。因为无论对象是如何创建的，垃圾回收器都会负责释放那些对象占有的内存。

5. 触发主GC（Garbage Collector）的条件

JVM进行次GC的频率很高，但因为这种GC占用时间极短，所以对系统产生的影响不大。更值得关注的是主GC的触发条件，因为它对系统影响很明显。总的来说,有两个条件会触发主GC:

1)当应用程序空闲时，即没有应用线程在运行时，GC会被调用。因为GC在优先级最低的线程中进行，所以当应用忙时,GC线程就不会被调用，但以下条件除外。

2)Java堆内存不足时,GC会被调用。当应用线程在运行,并在运行过程中创建新对象,若这时内存空间不足，JVM就会强制地调用GC线程，以便回收内存用于新的分配。若GC一次之后仍不能满足内存分配的要求，JVM会再进行两次GC作进一步的尝试，若仍无法满足要求，则 JVM将报“out of memory”的错误，Java应用将停止。

由于是否进行主GC由JVM根据系统环境决定，而系统环境在不断的变化当中，所以主GC的运行具有不确定性，无法预计它何时必然出现，但可以确定的是对一个长期运行的应用来说，其主GC是反复进行的。

6. 减少GC开销的措施

根据上述GC的机制，程序的运行会直接影响系统环境的变化，从而影响GC的触发。若不针对GC的特点进行设计和编码，就会出现内存驻留等一系列负面影响。为了避免这些影响，基本的原则就是尽可能地减少垃圾和减少GC过程中的开销。具体措施包括以下几个方面:

(1)不要显式调用System.gc()

此函数建议JVM进行主GC,虽然只是建议而非一定,但很多情况下它会触发主GC,从而增加主GC的频率,也即增加了间歇性停顿的次数。

(2)尽量减少临时对象的使用

临时对象在跳出函数调用后,会成为垃圾,少用临时变量就相当于减少了垃圾的产生,从而延长了出现上述第二个触发条件出现的时间,减少了主GC的机会。

(3)对象不用时最好显式置为Null

一般而言,为Null的对象都会被作为垃圾处理,所以将不用的对象显式地设为Null,有利于GC收集器判定垃圾,从而提高了GC的效率。

(4)尽量使用StringBuffer，而不用String来累加字符串

由于String是固定长的字符串对象，累加String对象时，并非在一个String对象中扩增，而是重新创建新的String对象，如Str5=Str1+Str2+Str3+Str4，这条语句执行过程中会产生多个垃圾对象，因为对次作“+”操作时都必须创建新的String对象，但这些过渡对象对系统来说是没有实际意义的，只会增加更多的垃圾。避免这种情况可以改用StringBuffer来累加字符串,因StringBuffer是可变长的，它在原有基础上进行扩增，不会产生中间对象。

(5)能用基本类型如Int，Long，就不用Integer，Long对象

基本类型变量占用的内存资源比相应对象占用的少得多，如果没有必要，最好使用基本变量。

(6)尽量少用静态对象变量

静态变量属于全局变量，不会被GC回收，它们会一直占用内存。

(7)分散对象创建或删除的时间

集中在短时间内大量创建新对象，特别是大对象，会导致突然需要大量内存，JVM在面临这种情况时，只能进行主GC，以回收内存或整合内存碎片，从而增加主GC的频率。集中删除对象，道理也是一样的。它使得突然出现了大量的垃圾对象，空闲空间必然减少，从而大大增加了下一次创建新对象时强制主GC的机会。