《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Java 垃圾回收新算法芻探
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2011年第2期
張鵬飛1, 錢 敏2
(1. 中國礦業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116; 2. 中國礦業(yè)大學(xué) 管理
摘要: 由Java語言與C/C++對象在內(nèi)存管理方式的不同,,引出了Java語言的優(yōu)勢技術(shù)——垃圾處理技術(shù)。通過對GC工作原理的闡述及對一些傳統(tǒng)的垃圾收集器的分析,,提出了一種新的垃圾處理算法,,一定程度上改善和提高了Java垃圾處理的性能。
關(guān)鍵詞: JAVA GC 垃圾回收 收集器
Abstract:
Key words :

摘   要:Java語言與C/C++對象在內(nèi)存管理方式的不同,,引出了Java語言的優(yōu)勢技術(shù)——垃圾處理技術(shù),。通過對GC工作原理的闡述及對一些傳統(tǒng)的垃圾收集器的分析,提出了一種新的垃圾處理算法,一定程度上改善和提高了Java垃圾處理的性能,。
關(guān)鍵詞: Java; GC; 垃圾回收; 收集器

    Java從誕生以來以其在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)上獨(dú)特的魅力以及“一次開發(fā),,隨處運(yùn)行”的可移植性引起了人們極大的興趣。Java與以往的高級語言如C/C++相比,,在開發(fā)方面具有很大的優(yōu)勢,,其中以對象內(nèi)存管理機(jī)制中的垃圾處理機(jī)制(GC)最為突出。
1 C/C++與Java對象內(nèi)存管理差別
    C/C++將內(nèi)存劃分成四部分:數(shù)據(jù)區(qū),、代碼區(qū),、棧區(qū)、堆區(qū),。Java則把內(nèi)存劃分成三部分即代碼區(qū),、棧區(qū)、堆區(qū),,代碼區(qū)主要用于存放程序的代碼,,棧區(qū)主要用于存放局部變量、內(nèi)部變量等中間性變量,,堆區(qū)主要用來存放對象,。
    C/C++中的對象內(nèi)存管理是通過語句new()/delete()或malloc()/free()進(jìn)行申請和釋放的。用new()或malloc()申請內(nèi)存后,,若不使用delete()或free()進(jìn)行釋放,,則所申請的內(nèi)存一直被占用,即使不使用也不能自動釋放,,必須人為釋放,,導(dǎo)致編程工作很繁瑣。
    Java中的對象內(nèi)存管理則改進(jìn)了對內(nèi)存的釋放過程,,使用new()或其他方法申請的內(nèi)存在不使用時,,可以自動進(jìn)行垃圾處理,釋放內(nèi)存,,從而節(jié)省內(nèi)存,,使內(nèi)存的使用更加高效、合理,。
    Java中可以通過三種方法來銷毀對象實(shí)現(xiàn)內(nèi)存釋放,,這三種方法被稱為Java銷毀對象的三把利劍:垃圾回收器;finalize方法,;利用System.gc方法強(qiáng)制啟動垃圾回收器,。
    垃圾回收是一種動態(tài)存儲管理技術(shù),它自動地釋放不再被程序引用的對象,,按照特定的垃圾收集算法實(shí)現(xiàn)資源自動回收的功能系統(tǒng),,會自動進(jìn)行GC策略,。
2 GC概述
    Java垃圾處理主要是針對堆的管理,對堆中不使用的空間進(jìn)行回收處理,。判斷一個對象的內(nèi)存空間是否無用的標(biāo)準(zhǔn)是:如果該對象不能再被程序中任何一個“活動的部分”所引用,,此時該對象的內(nèi)存空間已經(jīng)無用。所謂“活動的部分”,,是指程序中某部分參與程序的調(diào)用,,正在執(zhí)行過程中,尚未執(zhí)行完畢,。
    具體以下兩例予以說明:
 實(shí)例1:
 int [][]matrix=new int [2][3];
 matrix=null;
 此例中,,第一句是用new語句在堆中為數(shù)組申請了一個空間,然后用matrix來引用此空間的對象(這里數(shù)組可以理解為對象),,此時這個內(nèi)存空間就是有用的,。第二句是給matrix賦空值,matrix則不再引用此數(shù)組,。此時,,這個空間就是無用的。
 實(shí)例2:
 int [][] m1=new int[2][3];
 int [][] m2=new int[2][3];
 m1=m2;
 此例中,,第一句是用new語句在堆中為數(shù)組申請了一個空間,,用m1引用這個數(shù)組。第二句是用new語句在堆中為數(shù)組申請了一個空間,,用m2引用這個數(shù)組,。第三句是改變引用對象,把m2的引用賦給m1,,則此時m1也引用m2引用的對象數(shù)組,,因此,,m1原來引用的數(shù)組無人引用,,成為垃圾。
3 傳統(tǒng)收集器簡介
    Java依托于垃圾收集GC機(jī)制,,可以自動回收垃圾即釋放堆空間,,讓其他對象可以使用此部分空間。而采用了某種 GC 算法的收集器(Collector)稱之為某某垃圾收集器(Garbage Collector),。目前 Java中采用的垃圾收集器一般包括:引用計(jì)數(shù)法(Reference Counting Collector),、 Tracing算法(Tracing Collector)、Compacting算法(Compacting Collector),、Coping算法(Coping Collector),、Generation算法(Generational Collector)、Adaptive算法(Adaptive Collector),。
3.1 引用計(jì)數(shù)法
    引用計(jì)數(shù)法是唯一沒有使用根集的垃圾回收的方法,,該算法使用引用計(jì)數(shù)器來區(qū)分存活對象和不再使用的對象,。一般來說,堆中的每個對象對應(yīng)一個引用計(jì)數(shù)器,。當(dāng)每一次創(chuàng)建一個對象并賦給一個變量時,,引用計(jì)數(shù)器置為1。當(dāng)對象被賦給任意變量時,,引用計(jì)數(shù)器每次加1,,當(dāng)對象出了作用域后(該對象丟棄不再使用),引用計(jì)數(shù)器減1,,一旦引用計(jì)數(shù)器為0,,對象就滿足了垃圾收集的條件。
    基于引用計(jì)數(shù)器的垃圾收集器運(yùn)行較快,,不會長時間中斷程序執(zhí)行,,必須適宜地實(shí)時運(yùn)行的程序。但引用計(jì)數(shù)器增加了程序執(zhí)行的開銷,,因?yàn)槊看螌ο筚x給新的變量,,計(jì)數(shù)器加1,而每次現(xiàn)有對象出了作用域,,計(jì)數(shù)器減1,。
3.2 Tracing算法
    Tracing算法是為了解決引用計(jì)數(shù)法的問題而提出,它使用了根集的概念,?;赥racing算法的垃圾收集器從根集開始掃描,識別出哪些對象可達(dá),,哪些對象不可達(dá),,并用某種方式標(biāo)記可達(dá)對象,例如對每個可達(dá)對象設(shè)置一個或多個位,。在掃描識別過程中,,基于Tracing算法的垃圾收集也稱為標(biāo)記和清除(mark-and-sweep)垃圾收集器。
3.3 Compacting算法
    為了解決堆碎片問題,,基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想,,在清除的過程中,算法將所有對象移到堆的一端,,堆的另一端就變成了一個相鄰的空閑內(nèi)存區(qū),,收集器會對它移動的所有對象的所有引用進(jìn)行更新,使得這些引用在新的位置能識別原來 的對象,。在基于Compacting算法的收集器的實(shí)現(xiàn)中,,一般增加句柄和句柄表。
3.4 Coping算法
    Coping算法的提出是為了克服句柄的開銷和解決堆碎片的垃圾回收,。它開始時把堆分成一個對象面和多個空閑面,, 程序從對象面為對象分配空間,,當(dāng)對象滿了,基于Coping算法的垃圾收集就從根集中掃描活動對象,,并將每個活動對象復(fù)制到空閑面(使得活動對象所占的內(nèi)存之間沒有空閑洞),,這樣空閑面變成了對象面,原來的對象面變成了空閑面,,程序會在新的對象面中分配內(nèi)存,。
    一種典型的基于Coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法,它將堆分成對象面和空閑區(qū)域面,,在對象面與空閑區(qū)域面的切換過程中,,程序暫停執(zhí)行。
3.5 Generation算法
     stop-and-copy垃圾收集器的一個缺陷是收集器必須復(fù)制所有的活動對象,,這增加了程序等待時間,,這是Coping算法低效的原因。在程序設(shè)計(jì)中有這樣的規(guī)律:多數(shù)對象存在的時間比較短,,少數(shù)的存在時間比較長,。因此,Generation算法將堆分成兩個或多個,,每個子堆作為對象的一代(Generation),。由于多數(shù)對象存在的時間比較短,隨著程序丟棄不使用的對象,,垃圾收集器將從最年輕的子堆中收集這些對象,。在分代式的垃圾收集器運(yùn)行后,上次運(yùn)行存活下來的對象移到下一最高代的子堆中,,由于老一代的子堆不會經(jīng)常被回收,,因而節(jié)省了時間。
3.6 Adaptive算法
    在特定的情況下,,一些垃圾收集算法會優(yōu)于其他算法,。基于Adaptive算法的垃圾收集器就是監(jiān)控當(dāng)前堆的使用情況,,并將選擇適當(dāng)算法的垃圾收集器,。
4 GC新算法概述
  基于上述對幾種收集器算法優(yōu)缺點(diǎn)的對比分析,,提出一種既可以滿足程序?qū)?shí)時性的要求,,同時也能避免內(nèi)存泄漏的較完全的垃圾處理算法。
4.1算法描述
4.1.1內(nèi)存劃分

    (1)把一個堆內(nèi)存劃分成兩大塊,,一塊是活躍區(qū),占堆大小的2/3,,活躍區(qū)劃分成大小相同的8個塊,并且為每個塊設(shè)置一個計(jì)數(shù)器int cnt[x](x取1~8),,用來記錄每塊內(nèi)存中動態(tài)分配的被引用對象總數(shù),。另一塊是保留區(qū),占堆大小的1/3,,設(shè)置兩個常數(shù)min和max,分別用來表示保留區(qū)的初始大小和最大可增加到的大小,。(min的值小于堆大小的1/3,,max的值可以自行設(shè)置但最大值不超過堆大小的1/3)。
    (2)為堆中的每個對象設(shè)置一個標(biāo)記位(標(biāo)記位放在一個專用數(shù)組cnt[x](x取1~8)中)以表示其是否被引用,,在對象被引用時計(jì)數(shù)器就開始動態(tài)地統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù),,記錄本塊中被引用的對象個數(shù)。
    (3)通過比較計(jì)數(shù)器值的大小來判斷應(yīng)該掃描哪個塊,,而不是利用搜索所有對象的方法,。具體結(jié)構(gòu)如圖1。

4.1.2具體算法
    (1)程序開始運(yùn)行,,對象動態(tài)地申請堆區(qū),,這時,每個塊的計(jì)數(shù)器啟動,,根據(jù)引用對象的標(biāo)記位情況來改變計(jì)數(shù)器的值,,為1則計(jì)數(shù)器加1,8個計(jì)數(shù)器值放在數(shù)組里,,并比較8個計(jì)數(shù)器值的大小,,選取最大的計(jì)數(shù)器所在塊,進(jìn)行掃描,。
    (2)掃描出的垃圾轉(zhuǎn)移到刪除區(qū),,等待被刪除。
    (3)繼續(xù)比較計(jì)數(shù)器值,但已經(jīng)進(jìn)行掃描的塊不參加此后的比較,,待刪除的垃圾占的空間達(dá)到min值時,,垃圾器開始對活躍區(qū)壓縮內(nèi)存碎片,并且在刪除區(qū)同時開始進(jìn)行垃圾刪除申請,。
    (4)當(dāng)刪除區(qū)的空間達(dá)到了max值時,,刪除區(qū)的垃圾還沒有被刪除,這時停止活躍區(qū)的掃描,,等待刪除區(qū)進(jìn)行垃圾刪除,。
4.2 實(shí)例分析
  看下面一段程序:
  int [][] m1=new int[2][3];
  int [][] m2=new int[2][3];
  m1=m2;
    此例中,第一句是用new語句在堆中為數(shù)組申請了一個空間,,然后用matrix引用此空間的對象(這里數(shù)組可以理解為對象),,此時這個內(nèi)存空間就是有用的。第二句是給matrix賦空值,,matrix則不再引用此數(shù)組,。此時,這個空間就是無用的,。
 對于原來的算法,,m1引用的數(shù)組在堆中是隨機(jī)存放的,,若要查找垃圾,則會遍歷整個堆內(nèi)存,,先標(biāo)記,,然后再清理垃圾。設(shè)耗費(fèi)時間為Ta,。
 m1引用的數(shù)組在堆中是隨機(jī)存放的,,所以假設(shè)其放在活躍區(qū)中的cnt[x]區(qū)(x取值為0~7之一),下面分兩種情況來考慮:
    (1)最好的情況,,m1原來引用的數(shù)組放在cnt1中為數(shù)組cnt[x]中最大的數(shù),,則查找到這個垃圾的時間為: T8+cnt[x]。

    由此可以節(jié)省7Ta/16的時間,。此新算法可以大大減少垃圾處理所需的時間,。
    Java語言對垃圾的處理是利用Java的垃圾處理器自動進(jìn)行的,JVM雖然沒有明確程序員必須了解垃圾處理器的過程和實(shí)質(zhì),,但是,一個優(yōu)秀的Java程序員應(yīng)該掌握和熟悉垃圾處理器的工作機(jī)制,,充分利用好內(nèi)存空間,減少不必要的空間浪費(fèi),,從而使程序更好地運(yùn)行,。

參考文獻(xiàn)
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