Java 性能優化--進階優化

GC的基本原理

　　Java的記憶體管理實際上就是對象的管理，其中包括對象的配置設定和釋放。

　　對于程式員來說，配置設定對象使用new關鍵字；釋放對象時，隻要将對象所有引用指派為null，讓程式不能夠再通路到這個對象，我們稱該對象為"不可達的".GC将負責回收所有"不可達"對象的記憶體空間。

　　對于GC來說，當程式員建立對象時，GC就開始監控這個對象的位址、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）中的所有對象（詳見

參考資料1

）。通過這種方式确定哪些對象是"可達的"，哪些對象是"不可達的".當GC确定一些對象為"不可達"時，GC就有責任回收這些記憶體空間。但是，為了保證GC能夠在不同平台實作的問題，Java規範對GC的很多行為都沒有進行嚴格的規定。例如，對于采用什麼類型的回收算法、什麼時候進行回收等重要問題都沒有明确的規定。是以，不同的JVM的實作者往往有不同的實作算法。這也給Java程式員的開發帶來行多不确定性。本文研究了幾個與GC工作相關的問題，努力減少這種不确定性給Java程式帶來的負面影響。

　　增量式GC（ Incremental GC ）

　　GC在JVM中通常是由一個或一組程序來實作的，它本身也和使用者程式一樣占用heap空間，運作時也占用CPU.當GC程序運作時，應用程式停止運作。是以，當GC運作時間較長時，使用者能夠感到Java程式的停頓，另外一方面，如果GC運作時間太短，則可能對象回收率太低，這意味着還有很多應該回收的對象沒有被回收，仍然占用大量記憶體。是以，在設計GC的時候，就必須在停頓時間和回收率之間進行權衡。一個好的GC實作允許使用者定義自己所需要的設定，例如有些記憶體有限有裝置，對記憶體的使用量非常敏感，希望GC能夠準确的回收記憶體，它并不在意程式速度的放慢。另外一些實時網絡遊戲，就不能夠允許程式有長時間的中斷。增量式GC就是通過一定的回收算法，把一個長時間的中斷，劃分為很多個小的中斷，通過這種方式減少GC對使用者程式的影響。雖然，增量式GC在整體性能上可能不如普通GC的效率高，但是它能夠減少程式的最長停頓時間。

　　Sun JDK提供的HotSpot JVM就能支援增量式GC.HotSpot

JVM預設GC方式為不使用增量GC，為了啟動增量GC，我們必須在運作Java程式時增加-Xincgc的參數。HotSpot

JVM增量式GC的實作是采用Train

GC算法。它的基本想法就是，将堆中的所有對象按照建立和使用情況進行分組（分層），将使用頻繁高和具有相關性的對象放在一隊中，随着程式的運作，不斷對組進行調整。當GC運作時，它總是先回收最老的（最近很少通路的）的對象，如果整組都為可回收對象，GC将整組回收。這樣，每次GC運作隻回收一定比例的不可達對象，保證程式的順暢運作。

　　詳解finalize函數

　　finalize是位于Object類的一個方法，該方法的通路修飾符為protected，由于所有類為Object的子類，是以使用者類很容易通路到這個方法。由于，finalize函數沒有自動實作鍊式調用，我們必須手動的實作，是以finalize函數的最後一個語句通常是super.finalize（）。通過這種方式，我們可以實作從下到上實作finalize的調用，即先釋放自己的資源，然後再釋放父類的資源。

　　根據Java語言規範，JVM保證調用finalize函數之前，這個對象是不可達的，但是JVM不保證這個函數一定會被調用。另外，規範還保證finalize函數最多運作一次。

　　很多Java初學者會認為這個方法類似與C++中的析構函數，将很多對象、資源的釋放都放在這一函數裡面。其實，這不是一種很好的方式。原因有三，其一，GC為了能夠支援finalize函數，要對覆寫這個函數的對象作很多附加的工作。其二，在finalize運作完成之後，該對象可能變成可達的，GC還要再檢查一次該對象是否是可達的。是以，使用finalize會降低GC的運作性能。其三，由于GC調用finalize的時間是不确定的，是以通過這種方式釋放資源也是不确定的。

　　通常，finalize用于一些不容易控制、并且非常重要資源的釋放，例如一些I/O的操作，資料的連接配接。這些資源的釋放對整個應用程式是非常關鍵的。在這種情況下，程式員應該以通過程式本身管理（包括釋放）這些資源為主，以finalize函數釋放資源方式為輔，形成一種雙保險的管理機制，而不應該僅僅依靠finalize來釋放資源。

　　下面給出一個例子說明，finalize函數被調用以後，仍然可能是可達的，同時也可說明一個對象的finalize隻可能運作一次。

　　運作結果：

　　此例子中，需要注意的是雖然MyObject對象在finalize中變成可達對象，但是下次回收時候，finalize卻不再被調用，因為finalize函數最多隻調用一次。

　　程式如何與GC進行互動

　　Java2增強了記憶體管理功能，

增加了一個java.lang.ref包，其中定義了三種引用類。這三種引用類分别為SoftReference、WeakReference和PhantomReference.通過使用這些引用類，程式員可以在一定程度與GC進行互動，以便改善GC的工作效率。這些引用類的引用強度介于可達對象和不可達對象之間。

　　建立一個引用對象也非常容易，例如如果你需要建立一個Soft

Reference對象，那麼首先建立一個對象，并采用普通引用方式（可達對象）；然後再建立一個SoftReference引用該對象；最後将普通引用設定為null.通過這種方式，這個對象就隻有一個Soft

Reference引用。同時，我們稱這個對象為Soft Reference 對象。

　　Soft

Reference的主要特點是據有較強的引用功能。隻有當記憶體不夠的時候，才進行回收這類記憶體，是以在記憶體足夠的時候，它們通常不被回收。另外，這些引用對象還能保證在Java抛出OutOfMemory

異常之前，被設定為null.它可以用于實作一些常用圖檔的緩存，實作Cache的功能，保證最大限度的使用記憶體而不引起OutOfMemory.以下給出這種引用類型的使用僞代碼；

　　Weak引用對象與Soft引用對象的最大不同就在于：GC在進行回收時，需要通過算法檢查是否回收Soft引用對象，而對于Weak引用對象，GC總是進行回收。Weak引用對象更容易、更快被GC回收。雖然，GC在運作時一定回收Weak對象，但是複雜關系的Weak對象群常常需要好幾次GC的運作才能完成。Weak引用對象常常用于Map結構中，引用資料量較大的對象，一旦該對象的強引用為null時，GC能夠快速地回收該對象空間。

　　Phantom引用的用途較少，主要用于輔助finalize函數的使用。Phantom對象指一些對象，它們執行完了finalize函數，并為不可達對象，但是它們還沒有被GC回收。這種對象可以輔助finalize進行一些後期的回收工作，我們通過覆寫Reference的clear（）方法，增強資源回收機制的靈活性。

　　一些Java編碼的建議

　　根據GC的工作原理，我們可以通過一些技巧和方式，讓GC運作更加有效率，更加符合應用程式的要求。以下就是一些程式設計的幾點建議。

　　1.最基本的建議就是盡早釋放無用對象的引用。大多數程式員在使用臨時變量的時候，都是讓引用變量在退出活動域（scope）後，自動設定為null.我們在使用這種方式時候，必須特别注意一些複雜的對象圖，例如數組，隊列，樹，圖等，這些對象之間有互相引用關系較為複雜。對于這類對象，GC回收它們一般效率較低。如果程式允許，盡早将不用的引用對象賦為null.這樣可以加速GC的工作。

　　2.盡量少用finalize函數。finalize函數是Java提供給程式員一個釋放對象或資源的機會。但是，它會加大GC的工作量，是以盡量少采用finalize方式回收資源。

　　3.如果需要使用經常使用的圖檔，可以使用soft應用類型。它可以盡可能将圖檔儲存在記憶體中，供程式調用，而不引起OutOfMemory.

　　4.注意集合資料類型，包括數組，樹，圖，連結清單等資料結構，這些資料結構對GC來說，回收更為複雜。另外，注意一些全局的變量，以及一些靜态變量。這些變量往往容易引起懸挂對象（dangling

reference），造成記憶體浪費。

　　5.當程式有一定的等待時間，程式員可以手動執行System.gc（），通知GC運作，但是Java語言規範并不保證GC一定會執行。使用增量式GC可以縮短Java程式的暫停時間。

    6.　1）避免對象建立和GC

　　隻要有可能，應該避免建立對象，防止調用構造函數帶來的相關性能成本，以及在對象結束其生命周期時進行垃圾收集所帶來的成本。考慮以下這些準則： 隻要有可能，就使用基本變量類型，而不使用對象類型。例如，使用 int，而不使用 Integer；

　　緩存那些頻繁使用的壽命短的對象，避免一遍又一遍地重複建立相同的對象，并是以加重垃圾收集的負擔；

　　在處理字元串時，使用 StringBuffer 而不使用字元串String進行連接配接操作，因為字元串對象具有不可變的特性，并且需要建立額外的字元串對象以完成相應的操作，而這些對象最終必須經曆 GC；

　　避免過度地進行 Java 控制台的寫操作，降低字元串對象處理、文本格式化和輸出帶來的成本；

　　實作資料庫連接配接池，重用連接配接對象，而不是重複地打開和關閉連接配接；

　　使用線程池（thread pooling），避免不停地建立和删除線程對象，特别是在大量使用線程的時候；

　　避免在代碼中調用GC。GC是一個“停止所有處理（stop the world）”的事件，它意味着除了 GC 線程自身外，其他所有執行線程都将處于挂起狀态。如果必須調用 GC，那麼可以在非緊急階段或空閑階段實作它；

　　避免在循環内配置設定對象。

　　盡早釋放無用對象的引用。大多數程式員在使用臨時變量的時候，都是讓引用變量在退出活動域（scope）後，自動設定為null。我們在使用這種方式時候，必須特别注意一些複雜的對象，例如數組，隊列，樹，圖等，這些對象之間的互相引用關系較為複雜。對于這類對象，GC回收它們一般效率較低。如果程式允許，盡早将不再使用的引用對象賦為null。這樣可以加速GC的工作。

　　如果有經常使用的圖檔，可以使用soft引用類型。它可以盡可能将圖檔儲存在記憶體中，供程式調用，而不引起Out Of Memory。

　　注意一些全局的變量，以及一些靜态變量。這些變量往往容易引起懸挂對象（dangling reference），造成記憶體浪費。