一個(gè)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(shí)時(shí)系統(tǒng)等，只有全面提升內(nèi)存的管理效率，才能提高整個(gè)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(gè)關(guān)鍵問(wèn)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(shuō)法：Java 虛擬機(jī)具有一個(gè)堆，堆是運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域，所有類實(shí)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(jī)啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建，非堆內(nèi)存(Non-heap Memory)是在JVM堆之外的內(nèi)存。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(shí)編譯后的代碼緩存）、每個(gè)類結(jié)構(gòu)（如運(yùn)行時(shí)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(gè)部分：

• 堆內(nèi)存（Heap Memory）： 存放Java對(duì)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(dòng)時(shí)，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(huì)被JVM使用，但是可以確定的是這部分保留的內(nèi)存不會(huì)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(dòng)時(shí)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(shí)，JVM 就會(huì)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(shí)，JVM 會(huì)減少堆直到-Xms的最小限制，可以由?-XX:MaxHeapFreeRatio?指定，詳見

可以通過(guò)?-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(shí)際上就是變量和對(duì)象的管理，其中包括對(duì)象的分配和釋放。

JVM內(nèi)存申請(qǐng)過(guò)程如下：

JVM 會(huì)試圖為相關(guān)Java對(duì)象在Eden中初始化一塊內(nèi)存區(qū)域

當(dāng)Eden空間足夠時(shí)，內(nèi)存申請(qǐng)結(jié)束；否則到下一步

JVM 試圖釋放在Eden中所有不活躍的對(duì)象（這屬于1或更高級(jí)的垃圾回收）,釋放后若Eden空間仍然不足以放入新對(duì)象，則試圖將部分Eden中活躍對(duì)象放入Survivor區(qū)

Survivor區(qū)被用來(lái)作為Eden及OLD的中間交換區(qū)域，當(dāng)OLD區(qū)空間足夠時(shí)，Survivor區(qū)的對(duì)象會(huì)被移到Old區(qū)，否則會(huì)被保留在Survivor區(qū)

當(dāng)OLD區(qū)空間不夠時(shí)，JVM 會(huì)在OLD區(qū)進(jìn)行完全的垃圾收集（0級(jí)）

完全垃圾收集后，若Survivor及OLD區(qū)仍然無(wú)法存放從Eden復(fù)制過(guò)來(lái)的部分對(duì)象，導(dǎo)致JVM無(wú)法在Eden區(qū)為新對(duì)象創(chuàng)建內(nèi)存區(qū)域，則出現(xiàn)”out of memory”錯(cuò)誤

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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(lái)的，它擯棄了C++中一些繁瑣容易出錯(cuò)的東西，引入了計(jì)數(shù)器的概念，其中有一條就是這個(gè)GC機(jī)制（C#借鑒了JAVA）

編程人員容易出現(xiàn)問(wèn)題的地方，忘記或者錯(cuò)誤的內(nèi)存回收會(huì)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(dòng)監(jiān)測(cè)對(duì)象是否超過(guò)作用域從而達(dá)到自動(dòng)回收內(nèi)存的目的，Java語(yǔ)言沒(méi)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(shí)際上就是對(duì)象的管理，其中包括對(duì)象的分配和釋放。

對(duì)于程序員來(lái)說(shuō)，分配對(duì)象使用new關(guān)鍵字；釋放對(duì)象時(shí)，只要將對(duì)象所有引用賦值為null，讓程序不能夠再訪問(wèn)到這個(gè)對(duì)象，我們稱該對(duì)象為"不可達(dá)的".GC將負(fù)責(zé)回收所有"不可達(dá)"對(duì)象的內(nèi)存空間。

對(duì)于GC來(lái)說(shuō)，當(dāng)程序員創(chuàng)建對(duì)象時(shí)，GC就開始監(jiān)控這個(gè)對(duì)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(duì)象。通過(guò)這種方式確定哪些對(duì)象是"可達(dá)的"，哪些對(duì)象是"不可達(dá)的".當(dāng)GC確定一些對(duì)象為"不可達(dá)"時(shí)，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(tái)實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，Java規(guī)范對(duì)GC的很多行為都沒(méi)有進(jìn)行嚴(yán)格的規(guī)定。例如，對(duì)于采用什么類型的回收算法、什么時(shí)候進(jìn)行回收等重要問(wèn)題都沒(méi)有明確的規(guī)定。因此，不同的JVM的實(shí)現(xiàn)者往往有不同的實(shí)現(xiàn)算法。這也給Java程序員的開發(fā)帶來(lái)行多不確定性。本文研究了幾個(gè)與GC工作相關(guān)的問(wèn)題，努力減少這種不確定性給Java程序帶來(lái)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(gè)叫Eden Space的空間，主要是用來(lái)存放新生的對(duì)象，還有兩個(gè)Survivor Spaces（from、to），它們的大小總是一樣，它們用來(lái)存放每次垃圾回收后存活下來(lái)的對(duì)象。

2） 在Old Generation中，主要存放應(yīng)用程序中生命周期長(zhǎng)的內(nèi)存對(duì)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(shí)候，存活下來(lái)的對(duì)象首先由Eden拷貝到某個(gè)SurvivorSpace，當(dāng)Survivor Space空間滿了后，剩下的live對(duì)象就被直接拷貝到OldGeneration中去。因此，每次GC后，Eden內(nèi)存塊會(huì)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(jí)，0級(jí)為全部(Full)的垃圾回收，會(huì)回收OLD段中的垃圾；1級(jí)或以上為部分垃圾回收，只會(huì)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(wú)內(nèi)存空間容納新的Java對(duì)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(gè)或一組進(jìn)程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它本身也和用戶程序一樣占用heap空間，運(yùn)行時(shí)也占用CPU。

當(dāng)GC進(jìn)程運(yùn)行時(shí)，應(yīng)用程序停止運(yùn)行。因此，當(dāng)GC運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，用戶能夠感到Java程序的停頓，另外一方面，如果GC運(yùn)行時(shí)間太短，則可能對(duì)象回收率太低，這意味著還有很多應(yīng)該回收的對(duì)象沒(méi)有被回收，仍然占用大量?jī)?nèi)存。因此，在設(shè)計(jì)GC的時(shí)候，就必須在停頓時(shí)間和回收率之間進(jìn)行權(quán)衡。一個(gè)好的GC實(shí)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(duì)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(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)游戲，就不能夠允許程序有長(zhǎng)時(shí)間的中斷。

增量式GC就是通過(guò)一定的回收算法，把一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的中斷，劃分為很多個(gè)小的中斷，通過(guò)這種方式減少GC對(duì)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(zhǎng)停頓時(shí)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(dòng)增量GC，我們必須在運(yùn)行Java程序時(shí)增加-Xincgc的參數(shù)。

HotSpot JVM增量式GC的實(shí)現(xiàn)是采用Train GC算法，它的基本想法就是：將堆中的所有對(duì)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(duì)象放在一隊(duì)中，隨著程序的運(yùn)行，不斷對(duì)組進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)GC運(yùn)行時(shí)，它總是先回收最老的（最近很少訪問(wèn)的）的對(duì)象，如果整組都為可回收對(duì)象，GC將整組回收。這樣，每次GC運(yùn)行只回收一定比例的不可達(dá)對(duì)象，保證程序的順暢運(yùn)行。

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六、詳解函數(shù)finalize

finalize 是位于Object類的一個(gè)方法，詳見我的開源項(xiàng)目：src-jdk1.7.0_02

protected void finalize() throws Throwable { }

該方法的訪問(wèn)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(wèn)到這個(gè)方法。

由于，finalize函數(shù)沒(méi)有自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)秸{(diào)用，我們必須手動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，因此finalize函數(shù)的最后一個(gè)語(yǔ)句通常是 super.finalize（）。通過(guò)這種方式，我們可以實(shí)現(xiàn)從下到上實(shí)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(yǔ)言規(guī)范，JVM保證調(diào)用finalize函數(shù)之前，這個(gè)對(duì)象是不可達(dá)的，但是JVM不保證這個(gè)函數(shù)一定會(huì)被調(diào)用。另外，規(guī)范還保證finalize函數(shù)最多運(yùn)行一次。

很多Java初學(xué)者會(huì)認(rèn)為這個(gè)方法類似與C++中的析構(gòu)函數(shù)，將很多對(duì)象、資源的釋放都放在這一函數(shù)里面。其實(shí)，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(duì)覆蓋這個(gè)函數(shù)的對(duì)象作很多附加的工作。

其二、在finalize運(yùn)行完成之后，該對(duì)象可能變成可達(dá)的，GC還要再檢查一次該對(duì)象是否是可達(dá)的。因此，使用 finalize會(huì)降低GC的運(yùn)行性能。

其三、由于GC調(diào)用finalize的時(shí)間是不確定的，因此通過(guò)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(duì)整個(gè)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(guò)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(xiǎn)的管理機(jī)制，而不應(yīng)該僅僅依靠finalize來(lái)釋放資源。

下面給出一個(gè)例子說(shuō)明，finalize函數(shù)被調(diào)用以后，仍然可能是可達(dá)的，同時(shí)也可說(shuō)明一個(gè)對(duì)象的finalize只可能運(yùn)行一次。

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[java]?view plaincopyprint?

class?MyObject?{??

????Test?main;??????//?記錄Test對(duì)象，在finalize中時(shí)用于恢復(fù)可達(dá)性??

??

????public?MyObject(Test?t)?{??

????????main?=?t;???//?保存Test?對(duì)象??

????}??

??

????protected?void?finalize()?{??

????????main.ref?=?this;????//?恢復(fù)本對(duì)象，讓本對(duì)象可達(dá)??

????????System.out.println("This?is?finalize");?????//?用于測(cè)試finalize只運(yùn)行一次??

????}??

}??

??

class?Test?{??

????MyObject?ref;??

??

????public?static?void?main(String[]?args)?{??

????????Test?test?=?new?Test();??

????????test.ref?=?new?MyObject(test);??

????????test.ref?=?null;????//?MyObject對(duì)象為不可達(dá)對(duì)象，finalize將被調(diào)用??

????????System.gc();??

????????if?(test.ref?!=?null)??

????????????System.out.println("My?Object還活著");??

????}??

}??

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運(yùn)行結(jié)果：

　　This is finalize

　　My Object還活著

此例子中需要注意，雖然MyObject對(duì)象在finalize中變成可達(dá)對(duì)象，但是下次回收時(shí)候，finalize卻不再被調(diào)用，因?yàn)閒inalize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(qiáng)了內(nèi)存管理功能，增加了一個(gè)java.lang.ref包，詳見我的開源項(xiàng)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(guò)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(qiáng)度介于可達(dá)對(duì)象和不可達(dá)對(duì)象之間。

創(chuàng)建一個(gè)引用對(duì)象也非常容易，例如：如果你需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)Soft Reference對(duì)象，那么首先創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，并采用普通引用方式（可達(dá)對(duì)象）；然后再創(chuàng)建一個(gè)SoftReference引用該對(duì)象；最后將普通引用設(shè)置為null。通過(guò)這種方式，這個(gè)對(duì)象就只有一個(gè)Soft Reference引用。同時(shí)，我們稱這個(gè)對(duì)象為Soft Reference 對(duì)象。

Soft Reference的主要特點(diǎn)是據(jù)有較強(qiáng)的引用功能。只有當(dāng)內(nèi)存不夠的時(shí)候，才進(jìn)行回收這類內(nèi)存，因此在內(nèi)存足夠的時(shí)候，它們通常不被回收。另外，這些引用對(duì)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(shí)現(xiàn)一些常用圖片的緩存，實(shí)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?

//?申請(qǐng)一個(gè)圖像對(duì)象??

　Image?image=new?Image();???????//?創(chuàng)建Image對(duì)象??

　…??

　//?使用?image??

　…??

　//?使用完了image，將它設(shè)置為soft?引用類型，并且釋放強(qiáng)引用；??

　SoftReference?sr=new?SoftReference(image);??

　image=null;??

　…??

　//?下次使用時(shí)??

　if?(sr!=null)???

????image=sr.get();??

　else{??

　???????image=new?Image();??//由于GC由于低內(nèi)存，已釋放image，因此需要重新裝載；??

　???????sr=new?SoftReference(image);??

　}??

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Weak引用對(duì)象與Soft引用對(duì)象的最大不同就在于：GC在進(jìn)行回收時(shí)，需要通過(guò)算法檢查是否回收Soft引用對(duì)象，而對(duì)于Weak引用對(duì)象，GC總是進(jìn)行回收。Weak引用對(duì)象更容易、更快被GC回收。雖然，GC在運(yùn)行時(shí)一定回收Weak對(duì)象，但是復(fù)雜關(guān)系的Weak對(duì)象群常常需要好幾次GC的運(yùn)行才能完成。Weak引用對(duì)象常常用于Map結(jié)構(gòu)中，引用數(shù)據(jù)量較大的對(duì)象，一旦該對(duì)象的強(qiáng)引用為null時(shí)，GC能夠快速地回收該對(duì)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(duì)象指一些對(duì)象，它們執(zhí)行完了finalize函數(shù)，并為不可達(dá)對(duì)象，但是它們還沒(méi)有被GC回收。這種對(duì)象可以輔助finalize進(jìn)行一些后期的回收工作，我們通過(guò)覆蓋Reference的clear()方法，增強(qiáng)資源回收機(jī)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(guò)一些技巧和方式，讓GC運(yùn)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(jì)的幾點(diǎn)建議：

1）最基本的建議就是盡早釋放無(wú)用對(duì)象的引用。大多數(shù)程序員在使用臨時(shí)變量的時(shí)候，都是讓引用變量在退出活動(dòng)域（scope）后，自動(dòng)設(shè)置為 null.我們?cè)谑褂眠@種方式時(shí)候，必須特別注意一些復(fù)雜的對(duì)象圖，例如數(shù)組，隊(duì)列，樹，圖等，這些對(duì)象之間有相互引用關(guān)系較為復(fù)雜。對(duì)于這類對(duì)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(duì)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(gè)釋放對(duì)象或資源的機(jī)會(huì)。但是，它會(huì)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(duì)GC來(lái)說(shuō)，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(duì)象（dangling reference），造成內(nèi)存浪費(fèi)。

5）當(dāng)程序有一定的等待時(shí)間，程序員可以手動(dòng)執(zhí)行System.gc()，通知GC運(yùn)行，但是Java語(yǔ)言規(guī)范并不保證GC一定會(huì)執(zhí)行。使用增量式GC可以縮短Java程序的暫停時(shí)間。

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總結(jié)

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