简单理解Java的垃圾回收机制与finalize方法的作用

      2019-12-18 15:41      JAVA编程
这篇文章主要介绍了简单理解Java的垃圾回收机制与finalize方法的作用,着重讲解了Java的GC销毁对象的过程,需要的朋友可以参考下

垃圾回收器要回收对象的时候,首先要调用这个类的finalize方法(你可以 写程序验证这个结论),一般的纯Java编写的Class不需要重新覆盖这个方法,因为Object已经实现了一个默认的,除非我们要实现特殊的功能(这 里面涉及到很多东西,比如对象空间树等内容)。
不过用Java以外的代码编写的Class(比如JNI,C++的new方法分配的内存),垃圾回收器并不能对这些部分进行正确的回收,这时就需要我们覆盖默认的方法来实现对这部分内存的正确释放和回收(比如C++需要delete)。
总之,finalize相当于析构函数,他是垃圾回收器回收一个对象的时候第一个要调用的方法。不过由于Java的垃圾回收机制能自动为我们做这些事情,所以我们在一般情况下是不需要自己来手工释放的。

有时当撤消一个对象时,需要完成一些操作。例如,如果一个对象正在处理的是非Java 资源,如文件句柄或window 字符字体,这时你要确认在一个对象被撤消以前要保证这些资源被释放。为处理这样的状况,Java 提供了被称为收尾(finalization )的机制。使用该机制你可以定义一些特殊的操作,这些操作在一个对象将要被垃圾回收程序释放时执行。
要给一个类增加收尾(finalizer ),你只要定义finalize ( ) 方法即可。Java 回收该类的一个对象时,就会调用这个方法。在finalize ( )方法中,你要指定在一个对象被撤消前必须执行的操作。垃圾回收周期性地运行,检查对象不再被运行状态引用或间接地通过其他对象引用。就在对象被释放之 前,Java 运行系统调用该对象的finalize( ) 方法。

  finalize()方法的通用格式如下:

  protected void finalize( ){// finalization code here}

  其中,关键字protected是防止在该类之外定义的代码访问finalize()标识符。该标识符和其他标识符将在第7章中解释。

  理解finalize( ) 正好在垃圾回收以前被调用非常重要。例如当一个对象超出了它的作用域时,finalize( ) 并不被调用。这意味着你不可能知道何时——甚至是否——finalize( ) 被调用。因此,你的程序应该提供其他的方法来释放由对象使用的系统资源,而不能依靠finalize( ) 来完成程序的正常操作。

  注意:如果你熟悉C++,那你知道C++允许你为一个类定义一个撤消函数(destructor ),它在对象正好出作用域之前被调用。Java不支持这个想法也不提供撤消函数。finalize() 方法只和撤消函数的功能接近。当你对Java 有丰富经验时,你将看到因为Java使用垃圾回收子系统,几乎没有必要使用撤消函数。


finalize的工作原理应该是这样的:一旦垃圾收集器准备好释放对象占用的存储空间,它首先调用finalize(),而且只有在下一次垃圾收集过程中,才会真正回收对象的内存.所以如果使用finalize(),就可以在垃圾收集期间进行一些重要的清除或清扫工作.

finalize()在什么时候被调用?
有三种情况

    所有对象被Garbage Collection时自动调用,比如运行System.gc()的时候. 程序退出时为每个对象调用一次finalize方法。 显式的调用finalize方法

除此以外,正常情况下,当某个对象被系统收集为无用信息的时候,finalize()将被自动调用,但是jvm不保证finalize()一定被调用,也就是说,finalize()的调用是不确定的,这也就是为什么sun不提倡使用finalize()的原因

有时当撤消一个对象时,需要完成一些操作。例如,如果一个对象正在处理的是非Java 资源,如文件句柄或window 字符字体,这时你要确认在一个对象被撤消以前要保证这些资源被释放。为处理这样的状况,Java 提供了被称为收尾(finalization )的机制。使用该机制你可以定义一些特殊的操作,这些操作在一个对象将要被垃圾回收程序释放时执行。

要给一个类增加收尾(finalizer ),你只要定义finalize ( ) 方法即可。Java 回收该类的一个对象时,就会调用这个方法。在finalize ( )方法中,你要指定在一个对象被撤消前必须执行的操作。垃圾回收周期性地运行,检查对象不再被运行状态引用或间接地通过其他对象引用。就在对象被释放之 前,Java 运行系统调用该对象的finalize( ) 方法。

finalize()方法的通用格式如下:

protected void finalize( ){// finalization code here}

其中,关键字protected是防止在该类之外定义的代码访问finalize()标识符。该标识符和其他标识符将在第7章中解释。

理解finalize( ) 正好在垃圾回收以前被调用非常重要。例如当一个对象超出了它的作用域时,finalize( ) 并不被调用。这意味着你不可能知道何时——甚至是否——finalize( ) 被调用。因此,你的程序应该提供其他的方法来释放由对象使用的系统资源,而不能依靠finalize( ) 来完成程序的正常操作。

注意:如果你熟悉C++,那你知道C++允许你为一个类定义一个撤消函数(destructor ),它在对象正好出作用域之前被调用。Java不支持这个想法也不提供撤消函数。finalize() 方法只和撤消函数的功能接近。当你对Java 有丰富经验时,你将看到因为Java使用垃圾回收子系统,几乎没有必要使用撤消函数。

垃圾收集器在进行垃圾收集的时候会自动呼叫对象的finalize方法,用来进行一些用户自定义的非内存清理工作,因为垃圾收集器不会处理内存以外的东西。所以,有的时候用户需要定义一些清理的方法,比如说处理文件和端口之类的非内存资源。

1.JVM的gc概述
  
  gc即垃圾收集机制是指jvm用于释放那些不再使用的对象所占用的内存。java语言并不要求jvm有gc,也没有规定gc如何工作。不过常用的jvm都有gc,而且大多数gc都使用类似的算法管理内存和执行收集操作。
  
  在充分理解了垃圾收集算法和执行过程后,才能有效的优化它的性能。有些垃圾收集专用于特殊的应用程序。比如,实时应用程序主要是为了避免垃圾收集中断,而大多数OLTP应用程序则注重整体效率。理解了应用程序的工作负荷和jvm支持的垃圾收集算法,便可以进行优化配置垃圾收集器。
  
  垃圾收集的目的在于清除不再使用的对象。gc通过确定对象是否被活动对象引用来确定是否收集该对象。gc首先要判断该对象是否是时候可以收集。两种常用的方法是引用计数和对象引用遍历。
  
  1.1.引用计数
  
  引用计数存储对特定对象的所有引用数,也就是说,当应用程序创建引用以及引用超出范围时,jvm必须适当增减引用数。当某对象的引用数为0时,便可以进行垃圾收集。
  
  1.2.对象引用遍历
  
  早期的jvm使用引用计数,现在大多数jvm采用对象引用遍历。对象引用遍历从一组对象开始,沿着整个对象图上的每条链接,递归确定可到达(reachable)的对象。如果某对象不能从这些根对象的一个(至少一个)到达,则将它作为垃圾收集。在对象遍历阶段,gc必须记住哪些对象可以到达,以便删除不可到达的对象,这称为标记(marking)对象。
  
  下一步,gc要删除不可到达的对象。删除时,有些gc只是简单的扫描堆栈,删除未标记的未标记的对象,并释放它们的内存以生成新的对象,这叫做清除(sweeping)。这种方法的问题在于内存会分成好多小段,而它们不足以用于新的对象,但是组合起来却很大。因此,许多gc可以重新组织内存中的对象,并进行压缩(compact),形成可利用的空间。
  
  为此,gc需要停止其他的活动活动。这种方法意味着所有与应用程序相关的工作停止,只有gc运行。结果,在响应期间增减了许多混杂请求。另外,更复杂的gc不断增加或同时运行以减少或者清除应用程序的中断。有的gc使用单线程完成这项工作,有的则采用多线程以增加效率。
  
2.几种垃圾回收机制
  
  2.1.标记-清除收集器
  
  这种收集器首先遍历对象图并标记可到达的对象,然后扫描堆栈以寻找未标记对象并释放它们的内存。这种收集器一般使用单线程工作并停止其他操作。
  
  2.2.标记-压缩收集器
  
  有时也叫标记-清除-压缩收集器,与标记-清除收集器有相同的标记阶段。在第二阶段,则把标记对象复制到堆栈的新域中以便压缩堆栈。这种收集器也停止其他操作。
  
  2.3.复制收集器
  
  这种收集器将堆栈分为两个域,常称为半空间。每次仅使用一半的空间,jvm生成的新对象则放在另一半空间中。gc运行时,它把可到达对象复制到另一半空间,从而压缩了堆栈。这种方法适用于短生存期的对象,持续复制长生存期的对象则导致效率降低。
  
  2.4.增量收集器
  
  增量收集器把堆栈分为多个域,每次仅从一个域收集垃圾。这会造成较小的应用程序中断。
  
  2.5.分代收集器
  
  这种收集器把堆栈分为两个或多个域,用以存放不同寿命的对象。jvm生成的新对象一般放在其中的某个域中。过一段时间,继续存在的对象将获得使用期并转入更长寿命的域中。分代收集器对不同的域使用不同的算法以优化性能。
  
  2.6.并发收集器
  
  并发收集器与应用程序同时运行。这些收集器在某点上(比如压缩时)一般都不得不停止其他操作以完成特定的任务,但是因为其他应用程序可进行其他的后台操作,所以中断其他处理的实际时间大大降低。
  
  2.7.并行收集器
  
  并行收集器使用某种传统的算法并使用多线程并行的执行它们的工作。在多cpu机器上使用多线程技术可以显著的提高java应用程序的可扩展性。

3.对象的销毁过程

在对象的销毁过程中,按照对象的finalize的执行情况,可以分为以下几种,系统会记录对象的对应状态:
unfinalized 没有执行finalize,系统也不准备执行。
finalizable 可以执行finalize了,系统会在随后的某个时间执行finalize。
finalized 该对象的finalize已经被执行了。

GC怎么来保持对finalizable的对象的追踪呢。GC有一个Queue,叫做F-Queue,所有对象在变为finalizable的时候会加入到该Queue,然后等待GC执行它的finalize方法。

这时我们引入了对对象的另外一种记录分类,系统可以检查到一个对象属于哪一种。
reachable 从活动的对象引用链可以到达的对象。包括所有线程当前栈的局部变量,所有的静态变量等等。
finalizer-reachable 除了reachable外,从F-Queue可以通过引用到达的对象。
unreachable 其它的对象。

好大,好晕,慢慢看。

1 首先,所有的对象都是从Reachable+Unfinalized走向死亡之路的。

2 当从当前活动集到对象不可达时,对象可以从Reachable状态变到F-Reachable或者Unreachable状态。

3 当对象为非Reachable+Unfinalized时,GC会把它移入F-Queue,状态变为F-Reachable+Finalizable。

4 好了,关键的来了,任何时候,GC都可以从F-Queue中拿到一个Finalizable的对象,标记它为Finalized,然后执行它的finalize方法,由于该对象在这个线程中又可达了,于是该对象变成Reachable了(并且Finalized)。而finalize方法执行时,又有可能把其它的F-Reachable的对象变为一个Reachable的,这个叫做对象再生。

5 当一个对象在Unreachable+Unfinalized时,如果该对象使用的是默认的Object的finalize,或者虽然重写了,但是新的实现什么也不干。为了性能,GC可以把该对象之间变到Reclaimed状态直接销毁,而不用加入到F-Queue等待GC做进一步处理。

6 从状态图看出,不管怎么折腾,任意一个对象的finalize只至多执行一次,一旦对象变为Finalized,就怎么也不会在回到F-Queue去了。当然没有机会再执行finalize了。

7 当对象处于Unreachable+Finalized时,该对象离真正的死亡不远了。GC可以安全的回收该对象的内存了。进入Reclaimed。


对象重生的例子

class C {   static A a; }  class A {   B b;    public A(B b) {     this.b = b;   }    @Override   public void finalize() {     System.out.println("A finalize");     C.a = this;   } }  class B {   String name;   int age;    public B(String name, int age) {     this.name = name;     this.age = age;   }    @Override   public void finalize() {     System.out.println("B finalize");   }    @Override   public String toString() {     return name + " is " + age;   } }  public class Main {   public static void main(String[] args) throws Exception {     A a = new A(new B("allen", 20));     a = null;      System.gc();     Thread.sleep(5000);     System.out.println(C.a.b);   } } 

期待输出

A finalize B finalize allen is 20 

但是有可能失败,源于GC的不确定性以及时序问题,多跑几次应该可以有成功的。详细解释见文末的参考文档。

3.1对象的finalize的执行顺序

所有finalizable的对象的finalize的执行是不确定的,既不确定由哪个线程执行,也不确定执行的顺序。
考虑以下情况就明白为什么了,实例a,b,c是一组相互循环引用的finalizable对象。

3.2何时及如何使用finalize

从以上的分析得出,以下结论。
(1) 最重要的,尽量不要用finalize,太复杂了,还是让系统照管比较好。可以定义其它的方法来释放非内存资源。
(2) 如果用,尽量简单。
(3) 如果用,避免对象再生,这个是自己给自己找麻烦。
(4) 可以用来保护非内存资源被释放。即使我们定义了其它的方法来释放非内存资源,但是其它人未必会调用该方法来释放。在finalize里面可以检查一下,如果没有释放就释放好了,晚释放总比不释放好。
(5) 即使对象的finalize已经运行了,不能保证该对象被销毁。要实现一些保证对象彻底被销毁时的动作,只能依赖于java.lang.ref里面的类和GC交互了。