Java深度历险（四）——Java垃圾回收机制与引用类型

作者 成富 发布于 2011年1月31日

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Java语言的一个重要特性是引入了自动的内存管理机制，使得开发人员不用自己来管理应用中的内存。C/C++开发人员需要通过malloc/free 和new/delete等函数来显式的分配和释放内存。这对开发人员提出了比较高的要求，容易造成内存访问错误和内存泄露等问题。一个常见的问题是会产生“悬挂引用（dangling references）”，即一个对象引用所指向的内存区块已经被错误的回收并重新分配给新的对象了，程序如果继续使用这个引用的话会造成不可预期的结果。开发人员有可能忘记显式的调用释放内存的函数而造成内存泄露。而自动的内存管理则是把管理内存的任务交给编程语言的运行环境来完成。开发人员并不需要关心内存的分配和回收的底层细节。Java平台通过垃圾回收器来进行自动的内存管理。

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Java垃圾回收机制

Java的垃圾回收器要负责完成3件任务：分配内存、确保被引用的对象的内存不被错误回收以及回收不再被引用的对象的内存空间。垃圾回收是一个复杂而且耗时的操作。如果JVM花费过多的时间在垃圾回收上，则势必会影响应用的运行性能。一般情况下，当垃圾回收器在进行回收操作的时候，整个应用的执行是被暂时中止（stop-the-world）的。这是因为垃圾回收器需要更新应用中所有对象引用的实际内存地址。不同的硬件平台所能支持的垃圾回收方式也不同。比如在多CPU的平台上，就可以通过并行的方式来回收垃圾。而单CPU平台则只能串行进行。不同的应用所期望的垃圾回收方式也会有所不同。服务器端应用可能希望在应用的整个运行时间中，花在垃圾回收上的时间总数越小越好。而对于与用户交互的应用来说，则可能希望所垃圾回收所带来的应用停顿的时间间隔越小越好。对于这种情况，JVM中提供了多种垃圾回收方法以及对应的性能调优参数，应用可以根据需要来进行定制。

Java 垃圾回收机制最基本的做法是分代回收。内存中的区域被划分成不同的世代，对象根据其存活的时间被保存在对应世代的区域中。一般的实现是划分成3个世代：年轻、年老和永久。内存的分配是发生在年轻世代中的。当一个对象存活时间足够长的时候，它就会被复制到年老世代中。对于不同的世代可以使用不同的垃圾回收算法。进行世代划分的出发点是对应用中对象存活时间进行研究之后得出的统计规律。一般来说，一个应用中的大部分对象的存活时间都很短。比如局部变量的存活时间就只在方法的执行过程中。基于这一点，对于年轻世代的垃圾回收算法就可以很有针对性。

年轻世代的内存区域被进一步划分成伊甸园（Eden）和两个存活区（survivor space）。伊甸园是进行内存分配的地方，是一块连续的空闲内存区域。在上面进行内存分配速度非常快，因为不需要进行可用内存块的查找。两个存活区中始终有一个是空白的。在进行垃圾回收的时候，伊甸园和其中一个非空存活区中还存活的对象根据其存活时间被复制到当前空白的存活区或年老世代中。经过这一次的复制之后，之前非空的存活区中包含了当前还存活的对象，而伊甸园和另一个存活区中的内容已经不再需要了，只需要简单地把这两个区域清空即可。下一次垃圾回收的时候，这两个存活区的角色就发生了交换。一般来说，年轻世代区域较小，而且大部分对象都已经不再存活，因此在其中查找存活对象的效率较高。

而对于年老和永久世代的内存区域，则采用的是不同的回收算法，称为“标记-清除-压缩（Mark-Sweep-Compact）”。标记的过程是找出当前还存活的对象，并进行标记；清除则遍历整个内存区域，找出其中需要进行回收的区域；而压缩则把存活对象的内存移动到整个内存区域的一端，使得另一端是一块连续的空闲区域，方便进行内存分配和复制。

JDK 5中提供了4种不同的垃圾回收机制。最常用的是串行回收方式，即使用单个CPU回收年轻和年老世代的内存。在回收的过程中，应用程序被暂时中止。回收方式使用的是上面提到的最基本的分代回收。串行回收方式适合于一般的单CPU桌面平台。如果是多CPU的平台，则适合的是并行回收方式。这种方式在对年轻世代进行回收的时候，会使用多个CPU来并行处理，可以提升回收的性能。并发标记-清除回收方式适合于对应用的响应时间要求比较 高的情况，即需要减少垃圾回收所带来的应用暂时中止的时间。这种做法的优点在于可以在应用运行的同时标记存活对象与回收垃圾，而只需要暂时中止应用比较短的时间。

通过JDK中提供的JConsole可以很容易的查看当前应用的内存使用情况。在JVM启动的时候添加参数 -verbose:gc 可以查看垃圾回收器的运行结果。

Java引用类型

如果一个内存中的对象没有任何引用的话，就说明这个对象已经不再被使用了，从而可以成为被垃圾回收的候选。不过由于垃圾回收器的运行时间不确定，可被垃圾回收的对象的实际被回收时间是不确定的。对于一个对象来说，只要有引用的存在，它就会一直存在于内存中。如果这样的对象越来越多，超出了JVM中的内存总数，JVM就会抛出OutOfMemory错误。虽然垃圾回收的具体运行是由JVM来控制的，但是开发人员仍然可以在一定程度上与垃圾回收器进行交互，其目的在于更好的帮助垃圾回收器管理好应用的内存。这种交互方式就是使用JDK 1.2引入的java.lang.ref包。

强引用

在一般的Java程序中，见到最多的就是强引用（strong reference）。如Date date = new Date()，date就是一个对象的强引用。对象的强引用可以在程序中到处传递。很多情况下，会同时有多个引用指向同一个对象。强引用的存在限制了对象在内存中的存活时间。假如对象A中包含了一个对象B的强引用，那么一般情况下，对象B的存活时间就不会短于对象A。如果对象A没有显式的把对象B的引用设为null的话，就只有当对象A被垃圾回收之后，对象B才不再有引用指向它，才可能获得被垃圾回收的机会。

除了强引用之外，java.lang.ref包中提供了对一个对象的不同的引用方式。JVM的垃圾回收器对于不同类型的引用有不同的处理方式。

软引用

软引用（soft reference）在强度上弱于强引用，通过类SoftReference来表示。它的作用是告诉垃圾回收器，程序中的哪些对象是不那么重要，当内存不足的时候是可以被暂时回收的。当JVM中的内存不足的时候，垃圾回收器会释放那些只被软引用所指向的对象。如果全部释放完这些对象之后，内存还不足，才会抛出OutOfMemory错误。软引用非常适合于创建缓存。当系统内存不足的时候，缓存中的内容是可以被释放的。比如考虑一个图像编辑器的程序。该程序会把图像文件的全部内容都读取到内存中，以方便进行处理。而用户也可以同时打开多个文件。当同时打开的文件过多的时候，就可能造成内存不足。如果使用软引用来指向图像文件内容的话，垃圾回收器就可以在必要的时候回收掉这些内存。

public class ImageData {
    private String path;
    private SoftReference<byte[]> dataRef;
    public ImageData(String path) {
        this.path = path;
        dataRef = new SoftReference<byte[]>(new byte[0]);
    }
    private byte[] readImage() {
        return new byte[1024 * 1024]; //省略了读取文件的操作
  }
    public byte[] getData() {
        byte[] dataArray = dataRef.get();
        if (dataArray == null || dataArray.length == 0) {
            dataArray = readImage();
            dataRef = new SoftReference<byte[]>(dataArray);
        }
        return dataArray;
    }
}

在运行上面程序的时候，可以使用 -Xmx 参数来限制JVM可用的内存。由于软引用所指向的对象可能被回收掉，在通过get方法来获取软引用所实际指向的对象的时候，总是要检查该对象是否还存活。

弱引用

弱引用（weak reference）在强度上弱于软引用，通过类WeakReference来表示。它的作用是引用一个对象，但是并不阻止该对象被回收。如果使用一个强引用的话，只要该引用存在，那么被引用的对象是不能被回收的。弱引用则没有这个问题。在垃圾回收器运行的时候，如果一个对象的所有引用都是弱引用的话，该对象会被回收。弱引用的作用在于解决强引用所带来的对象之间在存活时间上的耦合关系。弱引用最常见的用处是在集合类中，尤其在哈希表中。哈希表的接口允许使用任何Java对象作为键来使用。当一个键值对被放入到哈希表中之后，哈希表对象本身就有了对这些键和值对象的引用。如果这种引用是强引用的话，那么只要哈希表对象本身还存活，其中所包含的键和值对象是不会被回收的。如果某个存活时间很长的哈希表中包含的键值对很多，最终就有可能消耗掉JVM中全部的内存。

对于这种情况的解决办法就是使用弱引用来引用这些对象，这样哈希表中的键和值对象都能被垃圾回收。Java中提供了WeakHashMap来满足这一常见需求。

幽灵引用

在介绍幽灵引用之前，要先介绍Java提供的对象终止化机制（finalization）。在Object类里面有个finalize方法，其设计的初衷是在一个对象被真正回收之前，可以用来执行一些清理的工作。因为Java并没有提供类似C++的析构函数一样的机制，就通过 finalize方法来实现。但是问题在于垃圾回收器的运行时间是不固定的，所以这些清理工作的实际运行时间也是不能预知的。幽灵引用（phantom reference）可以解决这个问题。在创建幽灵引用PhantomReference的时候必须要指定一个引用队列。当一个对象的finalize方法已经被调用了之后，这个对象的幽灵引用会被加入到队列中。通过检查该队列里面的内容就知道一个对象是不是已经准备要被回收了。

幽灵引用及其队列的使用情况并不多见，主要用来实现比较精细的内存使用控制，这对于移动设备来说是很有意义的。程序可以在确定一个对象要被回收之后，再申请内存创建新的对象。通过这种方式可以使得程序所消耗的内存维持在一个相对较低的数量。比如下面的代码给出了一个缓冲区的实现示例。

public class PhantomBuffer {
  private byte[] data = new byte[0];
    private ReferenceQueue<byte[]> queue = new ReferenceQueue<byte[]>();
    private PhantomReference<byte[]> ref = new PhantomReference<byte[]>(data, queue);
    public byte[] get(int size) {
        if (size <= 0) {
            throw new IllegalArgumentException("Wrong buffer size");
        }
        if (data.length < size) {
            data = null;
            System.gc(); //强制运行垃圾回收器
             try {
                queue.remove(); //该方法会阻塞直到队列非空
                ref.clear(); //幽灵引用不会自动清空，要手动运行
                ref = null;
                data = new byte[size];
                ref = new PhantomReference<byte[]>(data, queue);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
       }
       return data;
    }
}

在上面的代码中，每次申请新的缓冲区的时候，都首先确保之前的缓冲区的字节数组已经被成功回收。引用队列的remove方法会阻塞直到新的幽灵引用被加入到队列中。不过需要注意的是，这种做法会导致垃圾回收器被运行的次数过多，可能会造成程序的吞吐量过低。

引用队列

在有些情况下，程序会需要在一个对象的可达到性发生变化的时候得到通知。比如某个对象的强引用都已经不存在了，只剩下软引用或是弱引用。但是还需要对引用本身做一些的处理。典型的情景是在哈希表中。引用对象是作为WeakHashMap中的键对象的，当其引用的实际对象被垃圾回收之后，就需要把该键值对从哈希表中删除。有了引用队列（ReferenceQueue），就可以方便的获取到这些弱引用对象，将它们从表中删除。在软引用和弱引用对象被添加到队列之前，其对实际对象的引用会被自动清空。通过引用队列的poll/remove方法就可以分别以非阻塞和阻塞的方式获取队列中的引用对象。

参考资料

• Java内存管理白皮书
• Tuning Garbage Collection with the 5.0 Java[tm] Virtual Machine
• Plugging memory leaks with soft references
• Plugging memory leaks with weak references

感谢张凯峰对本文的审校。

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   说的不太深入

   发表人 Zou Hao

   文章对于对象满足什么条件会移动到年老代，永久代对象的加载内容和规则，java的stack area都没有介绍，让人读过之后一知半解未触本质，过两天就混淆了

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   弱引用正式我在.net里一直想要的东西

   发表人 Shichao Liu

   好文章，弱引用是我在.net里一直想要的东西（有差异，但不是说总体上哪个更好）。那会在做一些对象缓存，就遇到了这方面的麻烦，后来费事的自己实现了一个专用简陋的垃圾回收才实现需求。
   
   楼主文章的主题在于几种新的引用类型，多是为了更好的实现缓存的。

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   Re: 说的不太深入

   发表人 Shichao Liu

   楼主这文主要是想介绍几种引用类型的。

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   补充吐槽

   发表人 Shichao Liu

   google group貌似被屏蔽了。。。。

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   还是没理解幽灵引用

   发表人 Levin Ding

   看深入解析Java虚拟机的时候就没有理解这种引用存在的意义，这篇文章还是一样，解释的不清楚。包括这里的finalize方法是要用户自己实现的finalize方法还是只是Object中的finalize方法就可以了，因为Java虚拟机在对重新了finalize方法和没重写是有区别的（貌似是不重写就不会调用finalize方法？）；还有一个对象在调用finalize方法后被压入ReferenceQueue中，此时PhantomReference中对该对象的引用还是存在的，那么这个引用和Queue中的引用是什么呢？垃圾回收的中间状态？另外System.gc()方法并不一定会执行垃圾回收，看不同的实现的，如果出现不执行的情况，queue.remove()的阻塞是否会导致程序进入死锁状态？

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   有误

   发表人 Xu Jay

   “⋯⋯比如局部变量的存活时间就只在方法的执行过程中⋯⋯”。局部变量在stack中，不在heap里，是不被gc的。作用域结束直接销毁

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   Re: 有误

   发表人 ma xupeng

   作者没错。局部变量也可以是对象，如在方法中Map map = new HashMap();这时候map是在heap中，而map的引用在stack中

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   可以再深入些

   发表人 Li Lee

   感觉有点不痛不痒，希望能够介绍的再深入些

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