全面分析Java的垃圾回收機(jī)制
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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)范并不要求特殊的垃圾回收技術(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)由垃圾回收所管理的堆。垃圾回收是一種動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理技術(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。
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。
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。
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的法,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。
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、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。
4、copying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。
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。
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。
Java的垃圾回收機(jī)制是Java虛擬機(jī)提供的能力,用于在空閑時(shí)間以不定時(shí)的方式動(dòng)態(tài)回收無任何引用的對(duì)象占據(jù)的內(nèi)存空間。\x0d\x0a需要注意的是:垃圾回收回收的是無任何引用的對(duì)象占據(jù)的內(nèi)存空間而不是對(duì)象本身,很多人回答的含義是回收對(duì)象,實(shí)際上這是不正確的。\x0d\x0aSystem.gc()\x0d\x0aRuntime.getRuntime().gc() \x0d\x0a上面的方法調(diào)用時(shí)用于顯式通知JVM可以進(jìn)行一次垃圾回收,但真正垃圾回收機(jī)制具體在什么時(shí)間點(diǎn)開始發(fā)生動(dòng)作這同樣是不可預(yù)料的,這和搶占式的線程在發(fā)生作用時(shí)的原理一樣。\x0d\x0a程序員只能通過上面的方法建議JVM回收垃圾,但是JVM是否回收,同樣是不可預(yù)料的。\x0d\x0a希望能幫到你,望采納!
垃圾收集GC(Garbage Collection)是Java語言的核心技術(shù)之一,之前我們?cè)鴮iT探討過Java 7新增的垃圾回收器G1的新特性,但在JVM的內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制上看,Java的垃圾回收原理與機(jī)制并未改變。垃圾收集的目的在于清除不再使用的對(duì)象。GC通過確定對(duì)象是否被活動(dòng)對(duì)象引用來確定是否收集該對(duì)象。GC首先要判斷該對(duì)象是否是時(shí)候可以收集。兩種常用的方法是引用計(jì)數(shù)和對(duì)象引用遍歷。
引用計(jì)數(shù)收集器
引用計(jì)數(shù)是垃圾收集器中的早期策略。在這種方法中,堆中每個(gè)對(duì)象(不是引用)都有一個(gè)引用計(jì)數(shù)。當(dāng)一個(gè)對(duì)象被創(chuàng)建時(shí),且將該對(duì)象分配給一個(gè)變量,該變量計(jì)數(shù)設(shè)置為1。當(dāng)任何其它變量被賦值為這個(gè)對(duì)象的引用時(shí),計(jì)數(shù)加1(a = b,則b引用的對(duì)象+1),但當(dāng)一個(gè)對(duì)象的某個(gè)引用超過了生命周期或者被設(shè)置為一個(gè)新值時(shí),對(duì)象的引用計(jì)數(shù)減1。任何引用計(jì)數(shù)為0的對(duì)象可以被當(dāng)作垃圾收集。當(dāng)一個(gè)對(duì)象被垃圾收集時(shí),它引用的任何對(duì)象計(jì)數(shù)減1。
優(yōu)點(diǎn):引用計(jì)數(shù)收集器可以很快的執(zhí)行,交織在程序運(yùn)行中。對(duì)程序不被長時(shí)間打斷的實(shí)時(shí)環(huán)境比較有利。
缺點(diǎn): 無法檢測(cè)出循環(huán)引用。如父對(duì)象有一個(gè)對(duì)子對(duì)象的引用,子對(duì)象反過來引用父對(duì)象。這樣,他們的引用計(jì)數(shù)永遠(yuǎn)不可能為0.
跟蹤收集器
早期的JVM使用引用計(jì)數(shù),現(xiàn)在大多數(shù)JVM采用對(duì)象引用遍歷。對(duì)象引用遍歷從一組對(duì)象開始,沿著整個(gè)對(duì)象圖上的每條鏈接,遞歸確定可到達(dá)(reachable)的對(duì)象。如果某對(duì)象不能從這些根對(duì)象的一個(gè)(至少一個(gè))到達(dá),則將它作為垃圾收集。在對(duì)象遍歷階段,GC必須記住哪些對(duì)象可以到達(dá),以便刪除不可到達(dá)的對(duì)象,這稱為標(biāo)記(marking)對(duì)象。
下一步,GC要?jiǎng)h除不可到達(dá)的對(duì)象。刪除時(shí),有些GC只是簡(jiǎn)單的掃描堆棧,刪除未標(biāo)記的未標(biāo)記的對(duì)象,并釋放它們的內(nèi)存以生成新的對(duì)象,這叫做清除(sweeping)。這種方法的問題在于內(nèi)存會(huì)分成好多小段,而它們不足以用于新的對(duì)象,但是組合起來卻很大。因此,許多GC可以重新組織內(nèi)存中的對(duì)象,并進(jìn)行壓縮(compact),形成可利用的空間。
為此,GC需要停止其他的活動(dòng)活動(dòng)。這種方法意味著所有與應(yīng)用程序相關(guān)的工作停止,只有GC運(yùn)行。結(jié)果,在響應(yīng)期間增減了許多混雜請(qǐng)求。另外,更復(fù)雜的 GC不斷增加或同時(shí)運(yùn)行以減少或者清除應(yīng)用程序的中斷。有的GC使用單線程完成這項(xiàng)工作,有的則采用多線程以增加效率。
一些常用的垃圾收集器
◆標(biāo)記-清除收集器
這種收集器首先遍歷對(duì)象圖并標(biāo)記可到達(dá)的對(duì)象,然后掃描堆棧以尋找未標(biāo)記對(duì)象并釋放它們的內(nèi)存。這種收集器一般使用單線程工作并停止其他操作。并且,由于它只是清除了那些未標(biāo)記的對(duì)象,而并沒有對(duì)標(biāo)記對(duì)象進(jìn)行壓縮,導(dǎo)致會(huì)產(chǎn)生大量內(nèi)存碎片,從而浪費(fèi)內(nèi)存。
◆標(biāo)記-壓縮收集器
有時(shí)也叫標(biāo)記-清除-壓縮收集器,與標(biāo)記-清除收集器有相同的標(biāo)記階段。在第二階段,則把標(biāo)記對(duì)象復(fù)制到堆棧的新域中以便壓縮堆棧。這種收集器也停止其他操作。
復(fù)制收集器
這種收集器將堆棧分為兩個(gè)域,常稱為半空間。每次僅使用一半的空間,JVM生成的新對(duì)象則放在另一半空間中。GC運(yùn)行時(shí),它把可到達(dá)對(duì)象復(fù)制到另一半空間,從而壓縮了堆棧。這種方法適用于短生存期的對(duì)象,持續(xù)復(fù)制長生存期的對(duì)象則導(dǎo)致效率降低。并且對(duì)于指定大小堆來說,需要兩倍大小的內(nèi)存,因?yàn)槿魏螘r(shí)候都只使用其中的一半。
增量收集器
增量收集器把堆棧分為多個(gè)域,每次僅從一個(gè)域收集垃圾,也可理解為把堆棧分成一小塊一小塊,每次僅對(duì)某一個(gè)塊進(jìn)行垃圾收集。這會(huì)造成較小的應(yīng)用程序中斷時(shí)間,使得用戶一般不能覺察到垃圾收集器正在工作。
分代收集器
復(fù)制收集器的缺點(diǎn)是:每次收集時(shí),所有的標(biāo)記對(duì)象都要被拷貝,從而導(dǎo)致一些生命周期很長的對(duì)象被來回拷貝多次,消耗大量的時(shí)間。而分代收集器則可解決這個(gè)問題,分代收集器把堆棧分為兩個(gè)或多個(gè)域,用以存放不同壽命的對(duì)象。JVM生成的新對(duì)象一般放在其中的某個(gè)域中。過一段時(shí)間,繼續(xù)存在的對(duì)象(非短命對(duì)象)將獲得使用期并轉(zhuǎn)入更長壽命的域中。分代收集器對(duì)不同的域使用不同的算法以優(yōu)化性能。
并行收集器
并行收集器使用某種傳統(tǒng)的算法并使用多線程并行的執(zhí)行它們的工作。在多CPU機(jī)器上使用多線程技術(shù)可以顯著的提高java應(yīng)用程序的可擴(kuò)展性。
最后,貼出一個(gè)非常簡(jiǎn)單的跟蹤收集器的例圖,以便大家加深對(duì)收集器的理解:
跟蹤收集器圖例
使用垃圾收集器要注意的地方
下面將提出一些有關(guān)垃圾收集器要注意的地方,垃圾收集器知識(shí)很多,下面只列出一部分必要的知識(shí):
◆每個(gè)對(duì)象只能調(diào)用finalize( )方法一次。如果在finalize( )方法執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生異常(exception),則該對(duì)象仍可以被垃圾收集器收集。
◆垃圾收集器跟蹤每一個(gè)對(duì)象,收集那些不可觸及的對(duì)象(即該對(duì)象不再被程序引用 了),回收其占有的內(nèi)存空間。但在進(jìn)行垃圾收集的時(shí)候,垃圾收集器會(huì)調(diào)用該對(duì)象的finalize( )方法(如果有)。如果在finalize()方法中,又使得該對(duì)象被程序引用(俗稱復(fù)活了),則該對(duì)象就變成了可觸及的對(duì)象,暫時(shí)不會(huì)被垃圾收集了。但是由于每個(gè)對(duì)象只能調(diào)用一次finalize( )方法,所以每個(gè)對(duì)象也只可能 "復(fù)活 "一次。
◆Java語言允許程序員為任何方法添加finalize( )方法,該方法會(huì)在垃圾收集器交換回收對(duì)象之前被調(diào)用。但不要過分依賴該方法對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行回收和再利用,因?yàn)樵摲椒ㄕ{(diào)用后的執(zhí)行結(jié)果是不可預(yù)知的。
◆垃圾收集器不可以被強(qiáng)制執(zhí)行,但程序員可以通過調(diào)研System.gc方法來建議執(zhí)行垃圾收集。記住,只是建議。一般不建議自己寫System.gc,因?yàn)闀?huì)加大垃圾收集工作量。
java中垃圾回收機(jī)制的作用是對(duì)程序中無任何引用的對(duì)象占據(jù)的內(nèi)存空間進(jìn)行釋放的一種釋放內(nèi)存的方式。
java中垃圾回收機(jī)制有幾個(gè)明顯的特點(diǎn)。1.垃圾回收是由虛擬機(jī)即JVM執(zhí)行;2.系統(tǒng)空閑時(shí)執(zhí)行;3.釋放的一定是不再被引用的對(duì)象;4.回收方法gc()方法,雖然可以主動(dòng)調(diào)用,但是不確定會(huì)立即執(zhí)行。
垃圾回收有jvm負(fù)責(zé),不受程序員控制。
即使在代碼里調(diào)用System.gc(),jvm也不會(huì)立即執(zhí)行垃圾回收。
對(duì)象的finalize()方法也不同于
析構(gòu)函數(shù)
,在垃圾回收時(shí)由jvm調(diào)用。
Java語言中一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是引入了垃圾回收機(jī)制,使c++程序員最頭疼的內(nèi)存的問題迎刃而解,它使得Java程序員在編寫程序的時(shí)候不再需要考慮內(nèi)存管理。
由于有個(gè)垃圾回收機(jī)制,java課程發(fā)現(xiàn)Java中的對(duì)象不再有“作用域”的概念,只有對(duì)象的引用才有“作用域”。
垃圾回收可以有效的防止內(nèi)存泄露,有效的使用可以使用的內(nèi)存。
垃圾回收器通常是作為一個(gè)單獨(dú)的低級(jí)別的線程運(yùn)行,不可預(yù)知的情況下對(duì)內(nèi)存堆中已經(jīng)死亡的或者長時(shí)間沒有使用的對(duì)象進(jìn)行清除和回收,程序員不能實(shí)時(shí)的調(diào)用垃圾回收器對(duì)某個(gè)對(duì)象或所有對(duì)象進(jìn)行垃圾回收。
回收機(jī)制有分代復(fù)制垃圾回收和標(biāo)記垃圾回收,增量垃圾回收。