Java垃圾回收怎么理解?

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了Java垃圾回收怎么理解?相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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。

垃圾收集的意义

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。

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。

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。

2、tracing算法(Tracing Collector)

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.

3、compacting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。

4、copying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。

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)

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、adaptive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。

透视Java垃圾回收

1、命令行参数透视垃圾收集器的运行

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:
Java代码 java -verbosegc classfile java -verbosegc classfile

可以看个例子:
Java代码 class TestGC public static void main(String[] args) </SPAN></li> new TestGC(); </SPAN></li> System.gc(); System.runFinalization(); 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:
Java代码 [Full GC 168K->97K(1984K), 0.0253873 secs] [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)。

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:

Java代码 protected void finalize() throws Throwable 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。

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。

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。

关于垃圾收集的几点补充

经过上述的说明,可以发现垃圾回收有以下的几个特点:

(1)垃圾收集发生的不可预知性:由于实现了不同的垃圾收集算法和采用了不同的收集机制,所以它有可能是定时发生,有可能是当出现系统空闲CPU资源时发生,也有可能是和原始的垃圾收集一样,等到内存消耗出现极限时发生,这与垃圾收集器的选择和具体的设置都有关系。

(2)垃圾收集的精确性:主要包括2 个方面:(a)垃圾收集器能够精确标记活着的对象;(b)垃圾收集器能够精确地定位对象之间的引用关系。前者是完全地回收所有废弃对象的前提,否则就可能造成内存泄漏。而后者则是实现归并和复制等算法的必要条件。所有不可达对象都能够可靠地得到回收,所有对象都能够重新分配,允许对象的复制和对象内存的缩并,这样就有效地防止内存的支离破碎。

(3)现在有许多种不同的垃圾收集器,每种有其算法且其表现各异,既有当垃圾收集开始时就停止应用程序的运行,又有当垃圾收集开始时也允许应用程序的线程运行,还有在同一时间垃圾收集多线程运行。

(4)垃圾收集的实现和具体的JVM 以及JVM的内存模型有非常紧密的关系。不同的JVM 可能采用不同的垃圾收集,而JVM 的内存模型决定着该JVM可以采用哪些类型垃圾收集。现在,HotSpot 系列JVM中的内存系统都采用先进的面向对象的框架设计,这使得该系列JVM都可以采用最先进的垃圾收集。

(5)随着技术的发展,现代垃圾收集技术提供许多可选的垃圾收集器,而且在配置每种收集器的时候又可以设置不同的参数,这就使得根据不同的应用环境获得最优的应用性能成为可能。

针对以上特点,我们在使用的时候要注意:

(1)不要试图去假定垃圾收集发生的时间,这一切都是未知的。比如,方法中的一个临时对象在方法调用完毕后就变成了无用对象,这个时候它的内存就可以被释放。

(2)Java中提供了一些和垃圾收集打交道的类,而且提供了一种强行执行垃圾收集的方法--调用System.gc(),但这同样是个不确定的方法。Java 中并不保证每次调用该方法就一定能够启动垃圾收集,它只不过会向JVM发出这样一个申请,到底是否真正执行垃圾收集,一切都是个未知数。

(3)挑选适合自己的垃圾收集器。一般来说,如果系统没有特殊和苛刻的性能要求,可以采用JVM的缺省选项。否则可以考虑使用有针对性的垃圾收集器,比如增量收集器就比较适合实时性要求较高的系统之中。系统具有较高的配置,有比较多的闲置资源,可以考虑使用并行标记/清除收集器。

(4)关键的也是难把握的问题是内存泄漏。良好的编程习惯和严谨的编程态度永远是最重要的,不要让自己的一个小错误导致内存出现大漏洞。

(5)尽早释放无用对象的引用。大多数程序员在使用临时变量的时候,都是让引用变量在退出活动域(scope)后,自动设置为null,暗示垃圾收集器来收集该对象,还必须注意该引用的对象是否被监听,如果有,则要去掉监听器,然后再赋空值。

结束语

一般来说,Java开发人员可以不重视JVM中堆内存的分配和垃圾处理收集,但是,充分理解Java的这一特性可以让我们更有效地利用资源。同时要注意finalize()方法是Java的缺省机制,有时为确保对象资源的明确释放,可以编写自己的finalize方法
参考技术A 垃圾回收是Java语言的一大特性,方便了编程,是以消耗性能为代价的,Java语言对内存的分配管理是通过JVM内部机制决定的。
Java虚拟机中有个称之为垃圾回收器的东西,实际上这个东西也许真正不存在,或者是已经集成到JVM中了,但这无关紧要,仍然可以称为为垃圾回收器。
垃圾回收器的作用是查找和回收(清理)无用的对象。以便让JVM更有效的使用内存。
垃圾回收器的运行时间是不确定的,由JVM决定,在运行时是间歇执行的。虽然可以通过System.gc()来强制回收垃圾,但是这个命令下达后无法保证JVM会立即响应执行,但经验表明,下达命令后,会在短期内执行你的请求。JVM通常会感到内存紧缺时候去执行垃圾回收操作。
垃圾回收过于频繁会导致性能下降,过于稀疏会导致内存紧缺。这个JVM会将其控制到最好,不用程序员担心。但有些程序在短期会吃掉大量内存,而这些恐怖的对象很快使用结束了,这时候也许有必要强制下达一条垃圾回命令,这是很有必要的,以便有更多可用的物理内存。
垃圾回收器仅仅能做的是尽可能保证可用内存的使用效率,让可用内存得到高效的管理。程序员可以影响垃圾回收的执行,但不能控制。
总之,在Java语言中,判断一块内存空间是否符合垃圾收集器收集标准的标准只有两个:
1.给对象赋予了空值null,以下再没有调用过。
2.给对象赋予了新值,既重新分配了内存空间。
参考技术B Java垃圾回收会找出没用的对象,把它从内存中移除并释放出内存给以后创建的对象使用。Java程序语言中的一个最大优点是自动垃圾回收,不像其他的程序语言那样需要手动分配和释放内存,比如C语言。
垃圾收集器是一个后台运行程序。它管理着内存中的所有对象并找出没被引用的对象。所有的这些未引用的对象都会被删除,回收它们的空间并分配给其他对象。

深入理解Java虚拟机垃圾回收机制

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