全面分析Java的垃圾回收機(jī)制

2019-11-18 15:41:47

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供稿：網(wǎng)友

引言

　　java的堆是一個(gè)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)，類(lèi)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(guò)new、newarray、anewarray和multianewarray等指令建立，但是它們不需要程序代碼來(lái)顯式地釋放。

一般來(lái)說(shuō)，堆的是由垃圾回收來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)資源自動(dòng)回收的功能。

　　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(méi)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(wú)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(lái)的新對(duì)象使用。事實(shí)上，除了釋放沒(méi)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(méi)有垃圾收集機(jī)制的時(shí)候，可能要花許多時(shí)間來(lái)解決一個(gè)難懂的存儲(chǔ)器問(wèn)題。在用Java語(yǔ)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(yǔ)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(kāi)銷(xiāo)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(méi)用的對(duì)象。這一個(gè)過(guò)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(wèn)題都可以迎刃而解。

　　垃圾收集的算法分析

　　Java語(yǔ)言規(guī)范沒(méi)有明確地說(shuō)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(wú)用信息對(duì)象；（2）回收被無(wú)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(wèn)的引用變量的集合(包括局部變量、參數(shù)、類(lèi)變量)，程序可以使用引用變量訪問(wèn)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(kāi)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(guò)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。

　　1、引用計(jì)數(shù)法(Reference Counting Collector)

　　引用計(jì)數(shù)法是唯一沒(méi)有使用根集的垃圾回收的法，該算法使用引用計(jì)數(shù)器來(lái)區(qū)分存活對(duì)象和不再使用的對(duì)象。一般來(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(kāi)銷(xiāo)，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。

　　2、tracing算法(Tracing Collector)

　　tracing算法是為了解決引用計(jì)數(shù)法的問(wèn)題而提出，它使用了根集的概念。基于tracing算法的垃圾收集器從根集開(kāi)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(guò)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、compacting算法(Compacting Collector)

　　為了解決堆碎片問(wèn)題，基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想，在清除的過(guò)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(lái) 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。　　

　　4、copying算法(Coping Collector)

　　該算法的提出是為了克服句柄的開(kāi)銷(xiāo)和解決堆碎片的垃圾回收。它開(kāi)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(méi)有空閑洞)，這樣空閑面變成了對(duì)象面，原來(lái)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(guò)程中，程序暫停執(zhí)行。

　　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(zhǎng)。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(lái)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。

　　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。基于Adaptive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。

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