JAVA认证：Java的垃圾回收机制全解析

会计考友

Java的堆是一个运行时数据区，类的实例（对象）从中分配空间。Java虚拟机（JVM）的堆中储存着正在运行的应用程序所建立的所有对象，这些对象通过new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立，但是它们不需要程序代码来显式地释放。一般来说，堆的是由垃圾回收来负责的，尽管JVM规范并不要求特殊的垃圾回收技术，甚至根本就不需要垃圾回收，但是由于内存的有限性，JVM在实现的时候都有一个由垃圾回收所管理的堆。垃圾回收是一种动态存储管理技术，它自动地释放不再被程序引用的对象，按照特定的垃圾收集算法来实现资源自动回收的功能。
9 n; U, m: l) n    垃圾收集的意义
/ I- \- D% l! q2 u6 K9 ?1 b    在C++中，对象所占的内存在程序结束运行之前一直被占用，在明确释放之前不能分配给其它对象；而在Java中，当没有对象引用指向原先分配给某个对象的内存时，该内存便成为垃圾。JVM的一个系统级线程会自动释放该内存块。垃圾收集意味着程序不再需要的对象是"无用信息"，这些信息将被丢弃。当一个对象不再被引用的时候，内存回收它占领的空间，以便空间被后来的新对象使用。事实上，除了释放没用的对象，垃圾收集也可以清除内存记录碎片。由于创建对象和垃圾收集器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堆内存移到堆的一端，JVM将整理出的内存分配给新的对象。
/ w2 |* C) m. }    垃圾收集能自动释放内存空间，减轻编程的负担。这使Java 虚拟机具有一些优点。首先，它能使编程效率提高。在没有垃圾收集机制的时候，可能要花许多时间来解决一个难懂的存储器问题。在用Java语言编程的时候，靠垃圾收集机制可大大缩短时间。其次是它保护程序的完整性， 垃圾收集是Java语言安全性策略的一个重要部份。
    垃圾收集的一个潜在的缺点是它的开销影响程序性能。Java虚拟机必须追踪运行程序中有用的对象， 而且最终释放没用的对象。这一个过程需要花费处理器的时间。其次垃圾收集算法的不完备性，早先采用的某些垃圾收集算法就不能保证100%收集到所有的废弃内存。当然随着垃圾收集算法的不断改进以及软硬件运行效率的不断提升，这些问题都可以迎刃而解。
    垃圾收集的算法分析
    Java语言规范没有明确地说明JVM使用哪种垃圾回收算法，但是任何一种垃圾收集算法一般要做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。
    大多数垃圾回收算法使用了根集（root set）这个概念；所谓根集就量正在执行的Java程序可以访问的引用变量的集合（包括局部变量、参数、类变量），程序可以使用引用变量访问对象的属性和调用对象的方法。垃圾收集首选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，它们不能作为垃圾被回收，这也包括从根集间接可达的对象。而根集通过任意路径不可达的对象符合垃圾收集的条件，应该被回收。下面介绍几个常用的算法。
    1、 引用计数法（Reference Counting Collector）
    引用计数法是唯一没有使用根集的垃圾回收的法，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，堆中的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给一个变量时，引用计数器置为1。当对象被赋给任意变量时，引用计数器每次加1当对象出了作用域后（该对象丢弃不再使用），引用计数器减1，一旦引用计数器为0，对象就满足了垃圾收集的条件。
& ^1 _" E/ g. D( o( j    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。
& Y7 M4 L/ l8 U" \* o/ F7 P    2、tracing算法（Tracing Collector）
6 A( d7 n/ @" W& L! `; c9 g    tracing算法是为了解决引用计数法的问题而提出，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，并用某种方式标记可达对象，例如对每个可达对象设置一个或多个位。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。

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3、compacting算法（Compacting Collector）
1 ~" U9 H8 Z6 R7 e$ B8 E$ ^/ u    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。
    4、copying算法（Coping Collector）
6 Y1 e. F$ k) I; V1 A    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。它开始时把堆分成 一个对象 面和多个空闲面， 程序从对象面为对象分配空间，当对象满了，基于coping算法的垃圾 收集就从根集中扫描活动对象，并将每个 活动对象复制到空闲面（使得活动对象所占的内存之间没有空闲洞），这样空闲面变成了对象面，原来的对象面变成了空闲面，程序会在新的对象面中分配内存。
6 I2 K+ u( j/ S! Q    一种典型的基于coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它将堆分成对象面和空闲区域面，在对象面与空闲区域面的切换过程中，程序暂停执行。
    5、generation算法（Generational Collector）
4 _& N7 \% \) v' K1 L    stop-and-copy垃圾收集器的一个缺陷是收集器必须复制所有的活动对象，这增加了程序等待时间，这是coping算法低效的原因。在程序设计中有这样的规律：多数对象存在的时间比较短，少数的存在时间比较长。因此，generation算法将堆分成两个或多个，每个子堆作为对象的一代（generation）。由于多数对象存在的时间比较短，随着程序丢弃不使用的对象，垃圾收集器将从最年轻的子堆中收集这些对象。在分代式的垃圾收集器运行后，上次运行存活下来的对象移到下一最高代的子堆中，由于老一代的子堆不会经常被回收，因而节省了时间。
6 h2 y$ C5 Q. k0 S+ _. c    6、adaptive算法（Adaptive Collector）
2 w! _" A) v7 p  r    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 v+ X, l! Z& v8 W, N& x. \$ @$ ?    透视Java垃圾回收
5 v; I' Q( V; w  i0 q" s# N    1、命令行参数透视垃圾收集器的运行
  k0 S3 |& L7 C. Y/ j8 H    2、使用System.gc（）可以不管JVM使用的是哪一种垃圾回收的算法，都可以请求Java的垃圾回收。
    在命令行中有一个参数-verbosegc可以查看Java使用的堆内存的情况，它的格式如下：
! O6 G- A4 W  O) v) t' W  _) C    java -verbosegc classfile   可以看个例子：
+ b! d$ k5 u- D6 T  W- }9 r    class TestGC  {  public static void main（String[] args）  {  new TestGC（）；  System.gc（）；  System.runFinalization（）；  }  }   在这个例子中，一个新的对象被创建，由于它没有使用，所以该对象迅速地变为可达，程序编译后，执行命令： java -verbosegc TestGC 后结果为：
1 r( G8 E3 I7 ]. P2 F    [Full GC 168K->97K（1984K）， 0.0253873 secs]   机器的环境为，Windows 2000 + JDK1.3.1，箭头前后的数据168K和97K分别表示垃圾收集GC前后所有存活对象使用的内存容量，说明有168K-97K=71K的对象容量被回收，括号内的数据1984K为堆内存的总容量，收集所需要的时间是0.0253873秒（这个时间在每次执行的时候会有所不同）。
" ^+ V# _9 k; y& Y% D8 P0 r    2、finalize方法透视垃圾收集器的运行
    在JVM垃圾收集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化该对象心释放资源，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（），是由于有时需要采取与Java的普通方法不同的一种方法，通过分配内存来做一些具有C风格的事情。这主要可以通过"固有方法"来进行，它是从Java里调用非Java方法的一种方式。C和C++是目前唯一获得固有方法支持的语言。但由于它们能调用通过其他语言编写的子程序，所以能够有效地调用任何东西。在非Java代码内部，也许能调用C的malloc（）系列函数，用它分配存储空间。而且除非调用了free（），否则存储空间不会得到释放，从而造成内存"漏洞"的出现。当然，free（）是一个C和C++函数，所以我们需要在finalize（）内部的一个固有方法中调用它。也就是说我们不能过多地使用finalize（），它并不是进行普通清除工作的理想场所。
, N8 c& q5 o4 j& s" H7 T8 G# e    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++"破坏器"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），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），就会调用相应的破坏器。若程序员忘记了，那么永远不会调用破坏器，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。
4 b' s$ a/ w  U; j; ?    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，因为垃圾收集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收集机制，所以Java没有破坏器。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破坏器的需要，或者说不能消除对破坏器代表的那种机制的需要（而且绝对不能直接调用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++的破坏器，只是没后者方便。