【转】Java 内存模型及GC原理
一個優(yōu)秀Java程序員，必須了解Java內(nèi)存模型、GC工作原理，以及如何優(yōu)化GC的性能、與GC進(jìn)行有限的交互，有一些應(yīng)用程序?qū)π阅芤筝^高，例如嵌入式系統(tǒng)、實時系統(tǒng)等，只有全面提升內(nèi)存的管理效率，才能提高整個應(yīng)用程序的性能。
本文將從JVM內(nèi)存模型、GC工作原理，以及GC的幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行探討，從GC角度提高Java程序的性能。
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一、Java內(nèi)存模型
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按照官方的說法：Java 虛擬機具有一個堆，堆是運行時數(shù)據(jù)區(qū)域，所有類實例和數(shù)組的內(nèi)存均從此處分配。
JVM主要管理兩種類型內(nèi)存：堆和非堆，堆內(nèi)存（Heap?Memory）是在 Java 虛擬機啟動時創(chuàng)建，非堆內(nèi)存(Non-heap Memory)是在JVM堆之外的內(nèi)存。
簡單來說，堆是Java代碼可及的內(nèi)存，留給開發(fā)人員使用的；非堆是JVM留給自己用的，包含方法區(qū)、JVM內(nèi)部處理或優(yōu)化所需的內(nèi)存（如?JITCompiler，Just-in-time Compiler，即時編譯后的代碼緩存）、每個類結(jié)構(gòu)（如運行時常數(shù)池、字段和方法數(shù)據(jù)）以及方法和構(gòu)造方法的代碼。
JVM 內(nèi)存包含如下幾個部分：
- 堆內(nèi)存（Heap Memory）： 存放Java對象
- 非堆內(nèi)存（Non-Heap Memory）： 存放類加載信息和其它meta-data
- 其它（Other）： 存放JVM 自身代碼等
在JVM啟動時，就已經(jīng)保留了固定的內(nèi)存空間給Heap內(nèi)存，這部分內(nèi)存并不一定都會被JVM使用，但是可以確定的是這部分保留的內(nèi)存不會被其他進(jìn)程使用，這部分內(nèi)存大小由-Xmx?參數(shù)指定。而另一部分內(nèi)存在JVM啟動時就分配給JVM，作為JVM的初始Heap內(nèi)存使用，這部分內(nèi)存是由?-Xms?參數(shù)指定。
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詳細(xì)配置文件目錄：eclipse/eclipse.ini
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默認(rèn)空余堆內(nèi)存小于40%時，JVM 就會增大堆直到-Xmx 的最大限制，可以由?-XX:MinHeapFreeRatio?指定。?
默認(rèn)空余堆內(nèi)存大于70%時，JVM 會減少堆直到-Xms的最小限制，可以由?-XX:MaxHeapFreeRatio?指定，詳見
可以通過?-XX:MaxPermSize?設(shè)置Non-Heap大小，詳細(xì)參見我的百度博客
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二、Java內(nèi)存分配
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Java的內(nèi)存管理實際上就是變量和對象的管理，其中包括對象的分配和釋放。
JVM內(nèi)存申請過程如下：
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三、GC基本原理
GC（Garbage Collection)，是JAVA/.NET中的垃圾收集器。
Java是由C++發(fā)展來的，它擯棄了C++中一些繁瑣容易出錯的東西，引入了計數(shù)器的概念，其中有一條就是這個GC機制（C#借鑒了JAVA）
編程人員容易出現(xiàn)問題的地方，忘記或者錯誤的內(nèi)存回收會導(dǎo)致程序或系統(tǒng)的不穩(wěn)定甚至崩潰，Java提供的GC功能可以自動監(jiān)測對象是否超過作用域從而達(dá)到自動回收內(nèi)存的目的，Java語言沒有提供釋放已分配內(nèi)存的顯示操作方法。所以，Java的內(nèi)存管理實際上就是對象的管理，其中包括對象的分配和釋放。
對于程序員來說，分配對象使用new關(guān)鍵字；釋放對象時，只要將對象所有引用賦值為null，讓程序不能夠再訪問到這個對象，我們稱該對象為"不可達(dá)的".GC將負(fù)責(zé)回收所有"不可達(dá)"對象的內(nèi)存空間。
對于GC來說，當(dāng)程序員創(chuàng)建對象時，GC就開始監(jiān)控這個對象的地址、大小以及使用情況。通常，GC采用有向圖的方式記錄和管理堆（heap）中的所有對象。通過這種方式確定哪些對象是"可達(dá)的"，哪些對象是"不可達(dá)的".當(dāng)GC確定一些對象為"不可達(dá)"時，GC就有責(zé)任回收這些內(nèi)存空間。但是，為了保證 GC能夠在不同平臺實現(xiàn)的問題，Java規(guī)范對GC的很多行為都沒有進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定。例如，對于采用什么類型的回收算法、什么時候進(jìn)行回收等重要問題都沒有明確的規(guī)定。因此，不同的JVM的實現(xiàn)者往往有不同的實現(xiàn)算法。這也給Java程序員的開發(fā)帶來行多不確定性。本文研究了幾個與GC工作相關(guān)的問題，努力減少這種不確定性給Java程序帶來的負(fù)面影響。
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四、GC分代劃分
JVM內(nèi)存模型中Heap區(qū)分兩大塊，一塊是 Young Generation，另一塊是Old Generation
1） 在Young?Generation中，有一個叫Eden Space的空間，主要是用來存放新生的對象，還有兩個Survivor Spaces（from、to），它們的大小總是一樣，它們用來存放每次垃圾回收后存活下來的對象。
2） 在Old Generation中，主要存放應(yīng)用程序中生命周期長的內(nèi)存對象。
3） 在Young?Generation塊中，垃圾回收一般用Copying的算法，速度快。每次GC的時候，存活下來的對象首先由Eden拷貝到某個SurvivorSpace，當(dāng)Survivor Space空間滿了后，剩下的live對象就被直接拷貝到OldGeneration中去。因此，每次GC后，Eden內(nèi)存塊會被清空。
4） 在Old Generation塊中，垃圾回收一般用mark-compact的算法，速度慢些，但減少內(nèi)存要求。
5） 垃圾回收分多級，0級為全部(Full)的垃圾回收，會回收OLD段中的垃圾；1級或以上為部分垃圾回收，只會回收Young中的垃圾，內(nèi)存溢出通常發(fā)生于OLD段或Perm段垃圾回收后，仍然無內(nèi)存空間容納新的Java對象的情況。
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五、增量式GC
增量式GC（Incremental GC），是GC在JVM中通常是由一個或一組進(jìn)程來實現(xiàn)的，它本身也和用戶程序一樣占用heap空間，運行時也占用CPU。
當(dāng)GC進(jìn)程運行時，應(yīng)用程序停止運行。因此，當(dāng)GC運行時間較長時，用戶能夠感到Java程序的停頓，另外一方面，如果GC運行時間太短，則可能對象回收率太低，這意味著還有很多應(yīng)該回收的對象沒有被回收，仍然占用大量內(nèi)存。因此，在設(shè)計GC的時候，就必須在停頓時間和回收率之間進(jìn)行權(quán)衡。一個好的GC實現(xiàn)允許用戶定義自己所需要的設(shè)置，例如有些內(nèi)存有限的設(shè)備，對內(nèi)存的使用量非常敏感，希望GC能夠準(zhǔn)確的回收內(nèi)存，它并不在意程序速度的快慢。另外一些實時網(wǎng)絡(luò)游戲，就不能夠允許程序有長時間的中斷。
增量式GC就是通過一定的回收算法，把一個長時間的中斷，劃分為很多個小的中斷，通過這種方式減少GC對用戶程序的影響。雖然，增量式GC在整體性能上可能不如普通GC的效率高，但是它能夠減少程序的最長停頓時間。
Sun JDK提供的HotSpot JVM就能支持增量式GC。HotSpot JVM缺省GC方式為不使用增量GC，為了啟動增量GC，我們必須在運行Java程序時增加-Xincgc的參數(shù)。
HotSpot JVM增量式GC的實現(xiàn)是采用Train GC算法，它的基本想法就是：將堆中的所有對象按照創(chuàng)建和使用情況進(jìn)行分組（分層），將使用頻繁高和具有相關(guān)性的對象放在一隊中，隨著程序的運行，不斷對組進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)GC運行時，它總是先回收最老的（最近很少訪問的）的對象，如果整組都為可回收對象，GC將整組回收。這樣，每次GC運行只回收一定比例的不可達(dá)對象，保證程序的順暢運行。
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六、詳解函數(shù)finalize
finalize 是位于Object類的一個方法，詳見我的開源項目：src-jdk1.7.0_02
protected void finalize() throws Throwable { }
該方法的訪問修飾符為protected，由于所有類為Object的子類，因此用戶類很容易訪問到這個方法。
由于，finalize函數(shù)沒有自動實現(xiàn)鏈?zhǔn)秸{(diào)用，我們必須手動的實現(xiàn)，因此finalize函數(shù)的最后一個語句通常是 super.finalize（）。通過這種方式，我們可以實現(xiàn)從下到上實現(xiàn)finalize的調(diào)用，即先釋放自己的資源，然后再釋放父類的資源。根據(jù)Java語言規(guī)范，JVM保證調(diào)用finalize函數(shù)之前，這個對象是不可達(dá)的，但是JVM不保證這個函數(shù)一定會被調(diào)用。另外，規(guī)范還保證finalize函數(shù)最多運行一次。
很多Java初學(xué)者會認(rèn)為這個方法類似與C++中的析構(gòu)函數(shù)，將很多對象、資源的釋放都放在這一函數(shù)里面。其實，這不是一種很好的方式，原因有三：
其一、GC為了能夠支持finalize函數(shù)，要對覆蓋這個函數(shù)的對象作很多附加的工作。
其二、在finalize運行完成之后，該對象可能變成可達(dá)的，GC還要再檢查一次該對象是否是可達(dá)的。因此，使用 finalize會降低GC的運行性能。
其三、由于GC調(diào)用finalize的時間是不確定的，因此通過這種方式釋放資源也是不確定的。
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通常，finalize用于一些不容易控制、并且非常重要資源的釋放，例如一些I/O的操作，數(shù)據(jù)的連接。這些資源的釋放對整個應(yīng)用程序是非常關(guān)鍵的。在這種情況下，程序員應(yīng)該以通過程序本身管理（包括釋放）這些資源為主，以finalize函數(shù)釋放資源方式為輔，形成一種雙保險的管理機制，而不應(yīng)該僅僅依靠finalize來釋放資源。
下面給出一個例子說明，finalize函數(shù)被調(diào)用以后，仍然可能是可達(dá)的，同時也可說明一個對象的finalize只可能運行一次。
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[java]?view plaincopyprint??
運行結(jié)果：
This is finalize
My Object還活著
此例子中需要注意，雖然MyObject對象在finalize中變成可達(dá)對象，但是下次回收時候，finalize卻不再被調(diào)用，因為finalize函數(shù)最多只調(diào)用一次。
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七、GC程序交互
程序如何與GC進(jìn)行交互呢？?Java2增強了內(nèi)存管理功能，增加了一個java.lang.ref包，詳見我的開源項目：src-jdk1.7.0_02
其中定義了三種引用類。這三種引用類分別為：SoftReference、 WeakReference、 PhantomReference
通過使用這些引用類，程序員可以在一定程度與GC進(jìn)行交互，以便改善GC的工作效率，這些引用類的引用強度介于可達(dá)對象和不可達(dá)對象之間。
創(chuàng)建一個引用對象也非常容易，例如：如果你需要創(chuàng)建一個Soft Reference對象，那么首先創(chuàng)建一個對象，并采用普通引用方式（可達(dá)對象）；然后再創(chuàng)建一個SoftReference引用該對象；最后將普通引用設(shè)置為null。通過這種方式，這個對象就只有一個Soft Reference引用。同時，我們稱這個對象為Soft Reference 對象。
Soft Reference的主要特點是據(jù)有較強的引用功能。只有當(dāng)內(nèi)存不夠的時候，才進(jìn)行回收這類內(nèi)存，因此在內(nèi)存足夠的時候，它們通常不被回收。另外，這些引用對象還能保證在Java拋出OutOfMemory 異常之前，被設(shè)置為null。它可以用于實現(xiàn)一些常用圖片的緩存，實現(xiàn)Cache的功能，保證最大限度的使用內(nèi)存而不引起OutOfMemory。以下給出這種引用類型的使用偽代碼：
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[java]?view plaincopyprint??
Weak引用對象與Soft引用對象的最大不同就在于：GC在進(jìn)行回收時，需要通過算法檢查是否回收Soft引用對象，而對于Weak引用對象，GC總是進(jìn)行回收。Weak引用對象更容易、更快被GC回收。雖然，GC在運行時一定回收Weak對象，但是復(fù)雜關(guān)系的Weak對象群常常需要好幾次GC的運行才能完成。Weak引用對象常常用于Map結(jié)構(gòu)中，引用數(shù)據(jù)量較大的對象，一旦該對象的強引用為null時，GC能夠快速地回收該對象空間。
Phantom引用的用途較少，主要用于輔助finalize函數(shù)的使用。Phantom對象指一些對象，它們執(zhí)行完了finalize函數(shù)，并為不可達(dá)對象，但是它們還沒有被GC回收。這種對象可以輔助finalize進(jìn)行一些后期的回收工作，我們通過覆蓋Reference的clear()方法，增強資源回收機制的靈活性。
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八、Java編程建議
根據(jù)GC的工作原理，我們可以通過一些技巧和方式，讓GC運行更加有效率，更加符合應(yīng)用程序的要求。一些關(guān)于程序設(shè)計的幾點建議：
1）最基本的建議就是盡早釋放無用對象的引用。大多數(shù)程序員在使用臨時變量的時候，都是讓引用變量在退出活動域（scope）后，自動設(shè)置為 null.我們在使用這種方式時候，必須特別注意一些復(fù)雜的對象圖，例如數(shù)組，隊列，樹，圖等，這些對象之間有相互引用關(guān)系較為復(fù)雜。對于這類對象，GC 回收它們一般效率較低。如果程序允許，盡早將不用的引用對象賦為null，這樣可以加速GC的工作。
2）盡量少用finalize函數(shù)。finalize函數(shù)是Java提供給程序員一個釋放對象或資源的機會。但是，它會加大GC的工作量，因此盡量少采用finalize方式回收資源。
3）如果需要使用經(jīng)常使用的圖片，可以使用soft應(yīng)用類型。它可以盡可能將圖片保存在內(nèi)存中，供程序調(diào)用，而不引起OutOfMemory.
4）注意集合數(shù)據(jù)類型，包括數(shù)組，樹，圖，鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對GC來說，回收更為復(fù)雜。另外，注意一些全局的變量，以及一些靜態(tài)變量。這些變量往往容易引起懸掛對象（dangling reference），造成內(nèi)存浪費。
5）當(dāng)程序有一定的等待時間，程序員可以手動執(zhí)行System.gc()，通知GC運行，但是Java語言規(guī)范并不保證GC一定會執(zhí)行。使用增量式GC可以縮短Java程序的暫停時間。
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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的【转】Java 内存模型及GC原理的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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