Java堆的管理--透視垃圾回收機(jī)制

2019-11-18 13:16:37

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供稿：網(wǎng)友

　　1　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new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立，但是它們不需要程序代碼來顯式地釋放。一般來說，堆的是由垃圾回收來負(fù)責(zé)的，盡管JVM規(guī)范并不要求非凡的垃圾回收技術(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)由垃圾回收所治理的堆。垃圾回收是一種動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)治理技術(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實(shí)現(xiàn)資源自動(dòng)回收的功能。
　　
　　2　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，以便空間被后來的新對(duì)象使用。事實(shí)上，除了釋放沒用的對(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。在沒有垃圾收集機(jī)制的時(shí)候，可能要花許多時(shí)間來解決一個(gè)難懂的存儲(chǔ)器問題。在用Java語言編程的時(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, 而且最終釋放沒用的對(duì)象。這一個(gè)過程需要花費(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，這些問題都可以迎刃而解。
　　
　　3　垃圾收集的算法分析
　　Java語言規(guī)范沒有明確地說明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)無用信息對(duì)象；（2）回收被無用對(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。
　　
　　3.1　引用計(jì)數(shù)法(Reference Counting Collector)
　　
　　引用計(jì)數(shù)法是唯一沒有使用根集的垃圾回收得法，該算法使用引用計(jì)數(shù)器來區(qū)分存活對(duì)象和不再使用的對(duì)象。一般來說，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。
　　
　　3.2　tracing算法(Tracing Collector)
　　
　　tracing算法是為了解決引用計(jì)數(shù)法的問題而提出，它使用了根集的概念?；趖racing算法的垃圾收集器從根集開始掃描，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.
　　
　　3.3　compacting算法(Compacting Collector)
　　
　　為了解決堆碎片問題，基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想，在清除的過程中，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。
　　
　　3.4　coping算法(Coping Collector)
　　
　　該算法的提出是為了克服句柄的開銷和解決堆碎片的垃圾回收。它開始時(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)存之間沒有空閑洞)，這樣空閑面變成了對(duì)象面，原來的對(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)域面的切換過程中，程序暫停執(zhí)行。
　　
　　3.5　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。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。
　　
　　3.6　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?；贏daptive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。
　　
　　4　透視Java垃圾回收
　　4.1　命令行參數(shù)透視垃圾收集器的運(yùn)行
　　
　　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?，收集所需要的時(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）。
　　
　　4.2　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，但在沒有明確釋放資源的情況下，Java提供了缺省機(jī)制來終止化該對(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，通過分配內(nèi)存來做一些具有C風(fēng)格的事情。這主要可以通過"固有方法"來進(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言。但由于它們能調(diào)用通過其他語言編寫的子程序，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。也就是說我們不能過多地使用finalize()，它并不是進(jìn)行普通清除工作的理想場所。
　　
　　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，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不答應(yīng)我們創(chuàng)建本地（局部）對(duì)象--無論如何都要使用new。但在Java中，沒有"delete"命令來釋放對(duì)象，因?yàn)槔占鲿?huì)幫助我們自動(dòng)釋放存儲(chǔ)空間。所以假如站在比較簡化的立場，我們可以說正是由于存在垃圾收集機(jī)制，所以Java

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