JAVA的内存回收机制

在Java中，它的内存管理包括两方面：内存分配（创建Java对象的时候）和内存回收，这两方面工作都是由JVM自动完成的，降低了Java程序员的学习难度，避免了像C/C++直接操作内存的危险。但是，也正因为内存管理完全由JVM负责，所以也使Java很多程序员不再关心内存分配，导致很多程序低效，耗内存。因此就有了Java程序员到最后应该去了解JVM，才能写出更高效，充分利用有限的内存的程序。 1.Java在内存中的状态 首先我们先写一个代码为例子： Person.java package test;  import java.io.Serializable;  public class Person implements Serializable {      static final long serialVersionUID = 1L;      String name; // 姓名          Person friend;    //朋友      public Person() {}          public Person(String name) {         super();         this.name = name;     } } Test.java package test;   public class Test{      public static void main(String[] args) {         Person p1 = new Person("Kevin");         Person p2 = new Person("Rain");         Person p3 = new Person("Sunny");                  p1.friend = p2;         p3 = p2;         p2 = null;     } } 把上面Test.java中main方面里面的对象引用画成一个从main方法开始的对象引用图的话就是这样的（顶点是对象和引用，有向边是引用关系）： 当程序运行起来之后，把它在内存中的状态看成是有向图后，可以分为三种： 1）可达状态：在一个对象创建后，有一个以上的引用变量引用它。在有向图中可以从起始顶点导航到该对象，那它就处于可达状态。 2）可恢复状态：如果程序中某个对象不再有任何的引用变量引用它，它将先进入可恢复状态，此时从有向图的起始顶点不能再导航到该对象。在这个状态下，系统的垃圾回收机制准备回收该对象的所占用的内存，在回收之前，系统会调用finalize()方法进行资源清理，如果资源整理后重新让一个以上引用变量引用该对象，则这个对象会再次变为可达状态；否则就会进入不可达状态。 3）不可达状态：当对象的所有关联都被切断，且系统调用finalize()方法进行资源清理后依旧没有使该对象变为可达状态，则这个对象将永久性失去引用并且变成不可达状态，系统才会真正的去回收该对象所占用的资源。 上述三种状态的转换图如下： 2.Java对对象的4种引用 WeakReference与SoftReference都可以用来保存对象的实例引用，这两个类与垃圾回收有关。 WeakReference是弱引用，其中保存的对象实例可以被GC回收掉。这个类通常用于在某处保存对象引用，而又不干扰该对象被GC回收，通常用于Debug、内存监视工具等程序中。因为这类程序一般要求即要观察到对象，又不能影响该对象正常的GC过程。 最近在JDK的Proxy类的实现代码中也发现了Weakrefrence的应用，Proxy会把动态生成的Class实例暂存于一个由Weakrefrence构成的Map中作为Cache。 SoftReference是强引用，它保存的对象实例，除非JVM即将OutOfMemory，否则不会被GC回收。这个特性使得它特别适合设计对象Cache。对于Cache，我们希望被缓存的对象最好始终常驻内存，但是如果JVM内存吃紧，为了不发生OutOfMemoryError导致系统崩溃，必要的时候也允许JVM回收Cache的内存，待后续合适的时机再把数据重新Load到Cache中。这样可以系统设计得更具弹性。   WeakReference的一个测试程序：   Java代码     import java.lang.ref.WeakReference;       public class WeakReferenceTest {                  public static void main(String[] args) {            A a = new A();            a.str = "Hello, reference";            WeakReference weak = new WeakReference(a);            a = null;            int i = 0;            while (weak.get() != null) {                System.out.println(String.format("Get str from object of WeakReference: %s, count: %d", weak.get().str, ++i));                if (i % 10 == 0) {                    System.gc();                    System.out.println("System.gc() was invoked!");                }                try {                    Thread.sleep(500);                } catch (InterruptedException e) {                   }            }            System.out.println("object a was cleared by JVM!");        }       }    程序运行结果：   Java代码     Get str from object of WeakReference: Hello, reference, count: 1   Get str from object of WeakReference: Hello, reference, count: 2   Get str from object of WeakReference: Hello, reference, count: 3   Get str from object of WeakReference: Hello, reference, count: 4   Get str from object of WeakReference: Hello, reference, count: 5   Get str from object of WeakReference: Hello, reference, count: 6   Get str from object of WeakReference: Hello, reference, count: 7   Get str from object of WeakReference: Hello, reference, count: 8   Get str from object of WeakReference: Hello, reference, count: 9   Get str from object of WeakReference: Hello, reference, count: 10   System.gc() was invoked!    object a was cleared by JVM!     SoftReference的一个测试程序：   Java代码     import java.lang.ref.SoftReference;       public class SoftReferenceTest {                  public static void main(String[] args) {            A a = new A();            a.str = "Hello, reference";            SoftReference sr = new SoftReference(a);            a = null;            int i = 0;            while (sr.get() != null) {                System.out.println(String.format("Get str from object of SoftReference: %s, count: %d", sr.get().str, ++i));                if (i % 10 == 0) {                    System.gc();                    System.out.println("System.gc() was invoked!");                }                try {                    Thread.sleep(500);                } catch (InterruptedException e) {                   }            }            System.out.println("object a was cleared by JVM!");        }       }    程序运行结果：   Java代码     Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 1   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 2   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 3   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 4   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 5   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 6   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 7   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 8   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 9   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 10   System.gc() was invoked!    Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 11   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 12   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 13   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 14   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 15   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 16   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 17   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 18   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 19   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 20   System.gc() was invoked!    Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 21   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 22   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 23   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 24   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 25   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 26   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 27   Get str from object of SoftReference: Hello, reference, count: 28     自己的标注 写道 上面的打印结果会一直持续下去。 因为soft.get()一直不会为空 SoftReference比WeakReference生命力更强，当JVM的内存不吃紧时，即使引用的对象被置为空了，Soft还可以保留对该对象的引用，此时的JVM内存池实际上还保有原来对象，只有当内存吃紧的情况下JVM才会清除Soft的引用对象，并且会在未来重新加载该引用的对象。   而WeakReference则当清理内存池时会自动清理掉引用的对象。    1）强引用 ：创建一个对象并把这个对象直接赋给一个变量，eg ：Person person = new Person(“sunny”); 不管系统资源有么的紧张，强引用的对象都绝对不会被回收，即使他以后不会再用到。 2）软引用 ：通过SoftReference类实现，eg : SoftReference p = new SoftReference(new Person(“Rain”));,内存非常紧张的时候会被回收，其他时候不会被回收，所以在使用之前要判断是否为null从而判断他是否已经被回收了。 3）弱引用 ：通过WeakReference类实现，eg : WeakReference p = new WeakReference(new Person(“Rain”));不管内存是否足够，系统垃圾回收时必定会回收。 4）虚引用 ：不能单独使用，主要是用于追踪对象被垃圾回收的状态。通过PhantomReference类和引用队列ReferenceQueue类联合使用实现，eg ： package test;  import java.lang.ref.PhantomReference; import java.lang.ref.ReferenceQueue;   public class Test{      public static void main(String[] args) {         //创建一个对象         Person person = new Person("Sunny");             //创建一个引用队列             ReferenceQueue rq = new ReferenceQueue();         //创建一个虚引用，让此虚引用引用到person对象         PhantomReference pr = new PhantomReference(person, rq);         //切断person引用变量和对象的引用         person = null;         //试图取出虚引用所引用的对象         //发现程序并不能通过虚引用访问被引用对象，所以此处输出为null         System.out.println(pr.get());         //强制垃圾回收         System.gc();         System.runFinalization();         //因为一旦虚引用中的对象被回收后，该虚引用就会进入引用队列中         //所以用队列中最先进入队列中引用与pr进行比较，输出true         System.out.println(rq.poll() == pr);     } } 运行结果： 3.Java垃圾回收机制 其实Java垃圾回收主要做的是两件事：1）内存回收 2）碎片整理 3.1垃圾回收算法 1）串行回收（只用一个CPU）和并行回收（多个CPU才有用）：串行回收是不管系统有多少个CPU，始终只用一个CPU来执行垃圾回收操作，而并行回收就是把整个回收工作拆分成多个部分，每个部分由一个CPU负责，从而让多个CPU并行回收。并行回收的执行效率很高，但复杂度增加，另外也有一些副作用，如内存随便增加。 2）并发执行和应用程序停止 ：应用程序停止（Stop-the-world）顾名思义，其垃圾回收方式在执行垃圾回收的同时会导致应用程序的暂停。并发执行的垃圾回收虽然不会导致应用程序的暂停，但由于并发执行垃圾需要解决和应用程序的执行冲突（应用程序可能在垃圾回收的过程修改对象），因此并发执行垃圾回收的系统开销比Stop-the-world高，而且执行时需要更多的堆内存。 3）压缩和不压缩和复制： ①支持压缩的垃圾回收器（标记-压缩 = 标记清除+压缩）会把所有的可达对象搬迁到一起，然后将之前占用的内存全部回收，减少了内存碎片。 ②不压缩的垃圾回收器（标记-清除）要遍历两次，第一次先从跟开始访问所有可达对象，并将他们标记为可达状态，第二次便利整个内存区域，对未标记可达状态的对象进行回收处理。这种回收方式不压缩，不需要额外内存，但要两次遍历，会产生碎片 ③复制式的垃圾回收器：将堆内存分成两个相同空间，从根（类似于前面的有向图起始顶点）开始访问每一个关联的可达对象，将空间A的全部可达对象复制到空间B，然后一次性回收空间A。对于该算法而言，因为只需访问所有的可达对象，将所有的可达对象复制走之后就直接回收整个空间，完全不用理会不可达对象，所以遍历空间的成本较小，但需要巨大的复制成本和较多的内存。 3.2堆内存的分代回收 1）分代回收的依据： ①对象生存时间的长短：大部分对象在Young期间就被回收 ②不同代采取不同的垃圾回收策略：新（生存时间短）老（生存时间长）对象之间很少存在引用 2) 堆内存的分代： ①Young代： Ⅰ回收机制：因为对象数量少，所以采用复制回收。 Ⅱ组成区域：由1个Eden区和2个Survivor区构成，同一时间的两个Survivor区，一个用来保存对象，另一个是空的；每次进行Young代垃圾回收的时候，就把Eden，From中的可达对象复制到To区域中，一些生存时间长的就复制到了老年代，接着清除Eden，From空间，最后原来的To空间变为From空间，原来的From空间变为To空间。 Ⅲ对象来源：绝大多数对象先分配到Eden区，一些大的对象会直接被分配到Old代中。 Ⅳ回收频率：因为Young代对象大部分很快进入不可达状态，因此回收频率高且回收速度快             ②Old代： Ⅰ回收机制：采用标记压缩算法回收。 Ⅱ对象来源：1.对象大直接进入老年代。 2.Young代中生存时间长的可达对象 Ⅲ回收频率：因为很少对象会死掉，所以执行频率不高，而且需要较长时间来完成。 ③Permanent代： Ⅰ用      途：用来装载Class，方法等信息，默认为64M，不会被回收 Ⅱ对象来源：eg：对于像Hibernate，Spring这类喜欢AOP动态生成类的框架，往往会生成大量的动态代理类，因此需要更多的Permanent代内存。所以我们经常在调试Hibernate，Spring的时候经常遇到java.lang.OutOfMemoryError:PermGen space的错误，这就是Permanent代内存耗尽所导致的错误。 Ⅲ回收频率：不会被回收 3.3常见的垃圾回收器 1）串行回收器（只使用一个CPU）：Young代采用串行复制算法；Old代使用串行标记压缩算法（三个阶段：标记mark—清除sweep—压缩compact），回收期间程序会产生暂停， 2）并行回收器：对Young代采用的算法和串行回收器一样，只是增加了多CPU并行处理；对Old代的处理和串行回收器完全一样，依旧是单线程。 3）并行压缩回收器：对Young代处理采用与并行回收器完全一样的算法；只是对Old代采用了不同的算法，其实就是划分不同的区域，然后进行标记压缩算法： ① 将Old代划分成几个固定区域； ② mark阶段（多线程并行），标记可达对象； ③ summary阶段（串行执行），从最左边开始检验知道找到某个达到数值（可达对象密度小）的区域时，此区域及其右边区域进行压缩回收，其左端为密集区域 ④ compact阶段（多线程并行），识别出需要装填的区域，多线程并行的把数据复制到这些区域中。经此过程后，Old代一端密集存在大量活动对象，另一端则存在大块空间。 4）并发标识—清理回收（CMS）：对Young代处理采用与并行回收器完全一样的算法；只是对Old代采用了不同的算法，但归根待地还是标记清理算法： ① 初始标识（程序暂停）：标记被直接引用的对象(一级对象)； ② 并发标识（程序运行）：通过一级对象寻找其他可达对象； ③ 再标记（程序暂停）：多线程并行的重新标记之前可能因为并发而漏掉的对象（简单的说就是防遗漏） ④ 并发清理（程序运行） 4.内存管理小技巧 1）尽量使用直接量，eg：String javaStr = “小学徒的成长历程”; 2）使用StringBuilder和StringBuffer进行字符串连接等操作; 3）尽早释放无用对象; 4）尽量少使用静态变量; 5）缓存常用的对象:可以使用开源的开源缓存实现，eg：OSCache，Ehcache; 6）尽量不使用finalize()方法; 7）在必要的时候可以考虑使用软引用SoftReference。