本文探讨Java程序中GC的工作原理、优化方法与与GC交互的策略，着重提高程序性能，通过GC优化减少内存浪费，提升应用程序效率。
GC的基本原理
Java的内存管理实际上就是对象的管理，其中包括对象的分配和释放。
对于程序员来说，分配对象使用new关键字；释放对象时，只要将对象所有引用赋值为null，让程序不能够再访问到这个对象，我们称该对象为\"不可达的\".GC将负责回收所有\"不可达\"对象的内存空间。
对于GC来说，当程序员创建对象时，GC就开始监控这个对象的地址、大小以及使用情况。通常，GC采用有向图的方式记录和管理堆（heap）中的所有对象（详见 参考资料1 ）。通过这种方式确定哪些对象是\"可达的\"，哪些对象是\"不可达的\".当GC确定一些对象为\"不可达\"时，GC就有责任回收这些内存空间。但是，为了保证GC能够在不同平台实现的问题，Java规范对GC的很多行为都没有进行严格的规定。例如，对于采用什么类型的回收算法、什么时候进行回收等重要问题都没有明确的规定。因此，不同的JVM的实现者往往有不同的实现算法。这也给Java程序员的开发带来行多不确定性。本文研究了几个与GC工作相关的问题，努力减少这种不确定性给Java程序带来的负面影响。
增量式GC（ Incremental GC ）
GC在JVM中通常是由一个或一组进程来实现的，它本身也和用户程序一样占用heap空间，运行时也占用CPU.当GC进程运行时，应用程序停止运行。因此，当GC运行时间较长时，用户能够感到Java程序的停顿，另外一方面，如果GC运行时间太短，则可能对象回收率太低，这意味着还有很多应该回收的对象没有被回收，仍然占用大量内存。因此，在设计GC的时候，就必须在停顿时间和回收率之间进行权衡。一个好的GC实现允许用户定义自己所需要的设置，例如有些内存有限有设备，对内存的使用量非常敏感，希望GC能够准确的回收内存，它并不在意程序速度的放慢。另外一些实时网络游戏，就不能够允许程序有长时间的中断。增量式GC就是通过一定的回收算法，把一个长时间的中断，划分为很多个小的中断，通过这种方式减少GC对用户程序的影响。虽然，增量式GC在整体性能上可能不如普通GC的效率高，但是它能够减少程序的最长停顿时间。
Sun JDK提供的HotSpot JVM就能支持增量式GC.HotSpot JVM缺省GC方式为不使用增量GC，为了启动增量GC，我们必须在运行Java程序时增加-Xincgc的参数。HotSpot JVM增量式GC的实现是采用Train GC算法。它的基本想法就是，将堆中的所有对象按照创建和使用情况进行分组（分层），将使用频繁高和具有相关性的对象放在一队中，随着程序的运行，不断对组进行调整。当GC运行时，它总是先回收最老的（最近很少访问的）的对象，如果整组都为可回收对象，GC将整组回收。这样，每次GC运行只回收一定比例的不可达对象，保证程序的顺畅运行。
详解finalize函数
finalize是位于Object类的一个方法，该方法的访问修饰符为protected，由于所有类为Object的子类，因此用户类很容易访问到这个方法。由于，finalize函数没有自动实现链式调用，我们必须手动的实现，因此finalize函数的最后一个语句通常是super.finalize（）。通过这种方式，我们可以实现从下到上实现finalize的调用，即先释放自己的资源，然后再释放父类的资源。
根据Java语言规范，JVM保证调用finalize函数之前，这个对象是不可达的，但是JVM不保证这个函数一定会被调用。另外，规范还保证finalize函数最多运行一次。
很多Java初学者会认为这个方法类似与C++中的析构函数，将很多对象、资源的释放都放在这一函数里面。其实，这不是一种很好的方式。原因有三，其一，GC为了能够支持finalize函数，要对覆盖这个函数的对象作很多附加的工作。其二，在finalize运行完成之后，该对象可能变成可达的，GC还要再检查一次该对象是否是可达的。因此，使用finalize会降低GC的运行性能。其三，由于GC调用finalize的时间是不确定的，因此通过这种方式释放资源也是不确定的。
通常，finalize用于一些不容易控制、并且非常重要资源的释放，例如一些I/O的操作，数据的连接。这些资源的释放对整个应用程序是非常关键的。在这种情况下，程序员应该以通过程序本身管理（包括释放）这些资源为主，以finalize函数释放资源方式为辅，形成一种双保险的管理机制，而不应该仅仅依靠finalize来释放资源。
下面给出一个例子说明，finalize函数被调用以后，仍然可能是可达的，同时也可说明一个对象的finalize只可能运行一次。
class MyObject{
Test main; //记录Test对象，在finalize中时用于恢复可达性
public MyObject(Test t) {
main=t; //保存Test 对象
}
protected void finalize() {
main.ref=this;// 恢复本对象，让本对象可达
System.out.println(\"This is finalize\");//用于测试finalize只运行一次
}
}
class Test {
MyObject ref;
public static void main(String[] args) {
Test test=new Test();
test.ref=new MyObject(test);
test.ref=null; //MyObject对象为不可达对象，finalize将被调用
System.gc();
if (test.ref!=null) System.out.println(\"My Object还活着\");
}
}
运行结果：
This is finalize
MyObject还活着
此例子中，需要注意的是虽然MyObject对象在finalize中变成可达对象，但是下次回收时候，finalize却不再被调用，因为finalize函数最多只调用一次。
程序如何与GC进行交互
Java2增强了内存管理功能， 增加了一个java.lang.ref包，其中定义了三种引用类。这三种引用类分别为SoftReference、WeakReference和PhantomReference.通过使用这些引用类，程序员可以在一定程度与GC进行交互，以便改善GC的工作效率。这些引用类的引用强度介于可达对象和不可达对象之间。
创建一个引用对象也非常容易，例如如果你需要创建一个Soft Reference对象，那么首先创建一个对象，并采用普通引用方式（可达对象）；然后再创建一个SoftReference引用该对象；最后将普通引用设置为null.通过这种方式，这个对象就只有一个Soft Reference引用。同时，我们称这个对象为Soft Reference 对象。
Soft Reference的主要特点是据有较强的引用功能。只有当内存不够的时候，才进行回收这类内存，因此在内存足够的时候，它们通常不被回收。另外，这些引用对象还能保证在Java抛出OutOfMemory 异常之前，被设置为null.它可以用于实现一些常用图片的缓存，实现Cache的功能，保证最大限度的使用内存而不引起OutOfMemory.以下给出这种引用类型的使用伪代码；
//申请一个图像对象
Image image=new Image();//创建Image对象
…
//使用 image
…
//使用完了image，将它设置为soft 引用类型，并且释放强引用；
SoftReference sr=new SoftReference(image);
image=null;
…
//下次使用时
if (sr!=null) image=sr.get();
else{
//由于GC由于低内存，已释放image，因此需要重新装载；
image=new Image();
sr=new SoftReference(image);
}
Weak引用对象与Soft引用对象的最大不同就在于：GC在进行回收时，需要通过算法检查是否回收Soft引用对象，而对于Weak引用对象，GC总是进行回收。Weak引用对象更容易、更快被GC回收。虽然，GC在运行时一定回收Weak对象，但是复杂关系的Weak对象群常常需要好几次GC的运行才能完成。Weak引用对象常常用于Map结构中，引用数据量较大的对象，一旦该对象的强引用为null时，GC能够快速地回收该对象空间。
Phantom引用的用途较少，主要用于辅助finalize函数的使用。Phantom对象指一些对象，它们执行完了finalize函数，并为不可达对象，但是它们还没有被GC回收。这种对象可以辅助finalize进行一些后期的回收工作，我们通过覆盖Reference的clear（）方法，增强资源回收机制的灵活性。
一些Java编码的建议
根据GC的工作原理，我们可以通过一些技巧和方式，让GC运行更加有效率，更加符合应用程序的要求。以下就是一些程序设计的几点建议。
1.最基本的建议就是尽早释放无用对象的引用。大多数程序员在使用临时变量的时候，都是让引用变量在退出活动域（scope）后，自动设置为null.我们在使用这种方式时候，必须特别注意一些复杂的对象图，例如数组，队列，树，图等，这些对象之间有相互引用关系较为复杂。对于这类对象，GC回收它们一般效率较低。如果程序允许，尽早将不用的引用对象赋为null.这样可以加速GC的工作。 [Page]
2.尽量少用finalize函数。finalize函数是Java提供给程序员一个释放对象或资源的机会。但是，它会加大GC的工作量，因此尽量少采用finalize方式回收资源。
3.如果需要使用经常使用的图片，可以使用soft应用类型。它可以尽可能将图片保存在内存中，供程序调用，而不引起OutOfMemory.
4.注意集合数据类型，包括数组，树，图，链表等数据结构，这些数据结构对GC来说，回收更为复杂。另外，注意一些全局的变量，以及一些静态变量。这些变量往往容易引起悬挂对象（dangling reference），造成内存浪费。
5.当程序有一定的等待时间，程序员可以手动执行System.gc（），通知GC运行，但是Java语言规范并不保证GC一定会执行。使用增量式GC可以缩短Java程序的暂停时间。
6. 在对 GC 做处理的时候，注意不要妄动，一定要想清楚再去进行，否则容易导致出现问题。
GC 的具体对象是主要有：StrongReference，SoftReference ，WeakReference，PhantomReference ，分别依依介绍：
1．对象的强、软、弱和虚引用
在JDK 1.2以前的版本中，若一个对象不被任何变量引用，那么程序就无法再使用这个对象。也就是说，只有对象处于可触及（reachable）状态，程序才能使用它。从JDK 1.2版本开始，把对象的引用分为4种级别，从而使程序能更加灵活地控制对象的生命周期。这4种级别由高到低依次为：强引用、软引用、弱引用和虚引用。图1为对象应用类层次。
图1
⑴强引用（StrongReference）
强引用是使用最普遍的引用。如果一个对象具有强引用，那垃圾回收器绝不会回收它。当内存空间不足，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。
⑵软引用（SoftReference）
如果一个对象只具有软引用，则内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它；如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存（下文给出示例）。
软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收器回收，Java虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。
⑶弱引用（WeakReference）
弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程，因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。
弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。
⑷虚引用（PhantomReference）
“虚引用”顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收器回收。
虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收器回收的活动。虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于：虚引用必须和引用队列 （ReferenceQueue）联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之 关联的引用队列中。
ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue ();
PhantomReference pr = new PhantomReference (object, queue);
程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。如果程序发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。
2．对象可及性的判断
在很多时候，一个对象并不是从根集直接引用的，而是一个对象被其他对象引用，甚至同时被几个对象所引用，从而构成一个以根集为顶的树形结构。如图2所示
在这个树形的引用链中，箭头的方向代表了引用的方向，所指向的对象是被引用对象。由图可以看出，从根集到一个对象可以由很多条路径。比如到达对象5的路径就有①-⑤，③-⑦两条路径。由此带来了一个问题，那就是某个对象的可及性如何判断:
◆单条引用路径可及性判断:在这条路径中，最弱的一个引用决定对象的可及性。
◆多条引用路径可及性判断:几条路径中，最强的一条的引用决定对象的可及性。
比如，我们假设图2中引用①和③为强引用，⑤为软引用，⑦为弱引用，对于对象5按照这两个判断原则，路径①-⑤取最弱的引用⑤，因此该路径对对象5的引用为软引用。同样，③-⑦为弱引用。在这两条路径之间取最强的引用，于是对象5是一个软可及对象。
3．使用软引用构建敏感数据的缓存
3.1 为什么需要使用软引用
首先，我们看一个雇员信息查询系统的实例。我们将使用一个Java语言实现的雇员信息查询系统查询存储在磁盘文件或者数据库中的雇员人事档案信息。作为一个用户，我们完全有可能需要回头去查看几分钟甚至几秒钟前查看过的雇员档案信息(同样，我们在浏览WEB页面的时候也经常会使用“后退”按钮)。这时我们通常会有两种程序实现方式:一种是把过去查看过的雇员信息保存在内存中，每一个存储了雇员档案信息的Java对象的生命周期贯穿整个应用程序始终;另一种是当用户开始查看其他雇员的档案信息的时候，把存储了当前所查看的雇员档案信息的Java对象结束引用，使得垃圾收集线程可以回收其所占用的内存空间，当用户再次需要浏览该雇员的档案信息的时候，重新构建该雇员的信息。很显然，第一种实现方法将造成大量的内存浪费，而第二种实现的缺陷在于即使垃圾收集线程还没有进行垃圾收集，包含雇员档案信息的对象仍然完好地保存在内存中，应用程序也要重新构建一个对象。我们知道，访问磁盘文件、访问网络资源、查询数据库等操作都是影响应用程序执行性能的重要因素，如果能重新获取那些尚未被回收的Java对象的引用，必将减少不必要的访问，大大提高程序的运行速度。
3.2 如何使用软引用
SoftReference的特点是它的一个实例保存对一个Java对象的软引用，该软引用的存在不妨碍垃圾收集线程对该Java对象的回收。也就是说，一旦SoftReference保存了对一个Java对象的软引用后，在垃圾线程对这个Java对象回收前，SoftReference类所提供的get()方法返回Java对象的强引用。另外，一旦垃圾线程回收该Java对象之后，get()方法将返回null。
看下面代码:
MyObject aRef = new?MyObject();
SoftReference aSoftRef=new SoftReference(aRef);
此时，对于这个MyObject对象，有两个引用路径，一个是来自SoftReference对象的软引用，一个来自变量aReference的强引用，所以这个MyObject对象是强可及对象。
随即，我们可以结束aReference对这个MyObject实例的强引用:
aRef = null;
此后，这个MyObject对象成为了软可及对象。如果垃圾收集线程进行内存垃圾收集，并不会因为有一个SoftReference对该对象的引用而始终保留该对象。Java虚拟机的垃圾收集线程对软可及对象和其他一般Java对象进行了区别对待:软可及对象的清理是由垃圾收集线程根据其特定算法按照内存需求决定的。也就是说，垃圾收集线程会在虚拟机抛出OutOfMemoryError之前回收软可及对象，而且虚拟机会尽可能优先回收长时间闲置不用的软可及对象，对那些刚刚构建的或刚刚使用过的“新”软可反对象会被虚拟机尽可能保留。在回收这些对象之前，我们可以通过:
MyObject anotherRef=(MyObject)aSoftRef.get();
重新获得对该实例的强引用。而回收之后，调用get()方法就只能得到null了。
3.3 使用ReferenceQueue清除失去了软引用对象的SoftReference
作为一个Java对象，SoftReference对象除了具有保存软引用的特殊性之外，也具有Java对象的一般性。所以，当软可及对象被回收之后，虽然这个SoftReference对象的get()方法返回null,但这个SoftReference对象已经不再具有存在的价值，需要一个适当的清除机制，避免大量SoftReference对象带来的内存泄漏。在java.lang.ref包里还提供了ReferenceQueue。如果在创建SoftReference对象的时候，使用了一个ReferenceQueue对象作为参数提供给SoftReference的构造方法，如:
ReferenceQueue queue = new?ReferenceQueue();
SoftReference?ref=new?SoftReference(aMyObject, queue);
那么当这个SoftReference所软引用的aMyOhject被垃圾收集器回收的同时，ref所强引用的SoftReference对象被列入ReferenceQueue。也就是说，ReferenceQueue中保存的对象是Reference对象，而且是已经失去了它所软引用的对象的Reference对象。另外从ReferenceQueue这个名字也可以看出，它是一个队列，当我们调用它的poll()方法的时候，如果这个队列中不是空队列，那么将返回队列前面的那个Reference对象。
在任何时候，我们都可以调用ReferenceQueue的poll()方法来检查是否有它所关心的非强可及对象被回收。如果队列为空，将返回一个null,否则该方法返回队列中前面的一个Reference对象。利用这个方法，我们可以检查哪个SoftReference所软引用的对象已经被回收。于是我们可以把这些失去所软引用的对象的SoftReference对象清除掉。常用的方式为:
SoftReference ref = null;
while ((ref = (EmployeeRef) q.poll()) != null) {
// 清除ref
}
理解了ReferenceQueue的工作机制之后，我们就可以开始构造一个Java对象的高速缓存器了。
3.4通过软可及对象重获方法实现Java对象的高速缓存
利用Java2平台垃圾收集机制的特性以及前述的垃圾对象重获方法，我们通过一个雇员信息查询系统的小例子来说明如何构建一种高速缓存器来避免重复构建同一个对象带来的性能损失。我们将一个雇员的档案信息定义为一个Employee类:
public class Employee {
private String id;// 雇员的标识号码
private String name;// 雇员姓名
private String department;// 该雇员所在部门
private String Phone;// 该雇员联系电话
private int salary;// 该雇员薪资
private String origin;// 该雇员信息的来源
// 构造方法
public Employee(String id) {
this.id = id;
getDataFromlnfoCenter();
}
// 到数据库中取得雇员信息
private void getDataFromlnfoCenter() {
// 和数据库建立连接井查询该雇员的信息，将查询结果赋值
// 给name，department，plone，salary等变量
// 同时将origin赋值为"From DataBase"
}
……
这个Employee类的构造方法中我们可以预见，如果每次需要查询一个雇员的信息。哪怕是几秒中之前刚刚查询过的，都要重新构建一个实例，这是需要消耗很多时间的。下面是一个对Employee对象进行缓存的缓存器的定义:
import java.lang.ref.ReferenceQueue;
import java.lang.ref.SoftReference;
import java.util.Hashtable;
public class EmployeeCache {
static private EmployeeCache cache;// 一个Cache实例
private Hashtable< String,EmployeeRef> employeeRefs;// 用于Chche内容的存储
private ReferenceQueue< Employee> q;// 垃圾Reference的队列
// 继承SoftReference，使得每一个实例都具有可识别的标识。
private class EmployeeRef extends SoftReference< Employee> {
private String _key = "";
public EmployeeRef(Employee em, ReferenceQueue< Employee> q) {
super(em, q);
_key = em.getID();
}
}
// 构建一个缓存器实例
private EmployeeCache() {
employeeRefs = new Hashtable<String,EmployeeRef>();
q = new ReferenceQueue<Employee>();
}
// 取得缓存器实例
public static EmployeeCache getInstance() {
if (cache == null) {
cache = new EmployeeCache();
}
return cache;
}
// 以软引用的方式对一个Employee对象的实例进行引用并保存该引用
private void cacheEmployee(Employee em) {
cleanCache();// 清除垃圾引用
EmployeeRef ref = new EmployeeRef(em, q);
employeeRefs.put(em.getID(), ref);
}
// 依据所指定的ID号，重新获取相应Employee对象的实例
public Employee getEmployee(String ID) {
Employee em = null;
// 缓存中是否有该Employee实例的软引用，如果有，从软引用中取得。
if (employeeRefs.containsKey(ID)) {
EmployeeRef ref = (EmployeeRef) employeeRefs.get(ID);
em = (Employee) ref.get();
}
// 如果没有软引用，或者从软引用中得到的实例是null，重新构建一个实例，
// 并保存对这个新建实例的软引用
if (em == null) {
em = new Employee(ID);
System.out.println("Retrieve From EmployeeInfoCenter. ID=" + ID);
this.cacheEmployee(em);
}
return em;
}
private void cleanCache() {
EmployeeRef ref = null;
while ((ref = (EmployeeRef) q.poll()) != null) {
employeeRefs.remove(ref._key);
}
}
// 清除Cache内的全部内容
public void clearCache() {
cleanCache();
employeeRefs.clear();
System.gc();
System.runFinalization();
}
}
注：原来ReferenceQueue起到一个监听器的效果，当发现SoftReference.get()方法返回的是null值时，就会将SoftReference注册到自己里面队列里，当我们调用ReferenceQueue的poll()方法时，返回并删除该SoftReference。
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