優秀Java程式設計師應該瞭解的GC工作原理
一個優秀的Java程式設計師必須瞭解GC的工作原理、如何優化GC的效能、如何與GC進行有限的互動，因為有一些應用程式對效能要求較高，例如嵌入式系統、實時系統等，只有全面提升記憶體的管理效率 ，才能提高整個應用程式的效能。
一個優秀的Java程式設計師必須瞭解GC的工作原理、如何優化GC的效能、如何與GC進行有限的互動，因為有一些應用程式對效能要求較高，例如嵌入式系統、實時系統等，只有全面提升記憶體的管理效率 ，才能提高整個應用程式的效能。本篇文章首先簡單介紹GC的工作原理之後，然後再對GC的幾個關鍵問題進行深入探討，最後提出一些Java程式設計建議，從GC角度提高Java程式的效能。
Java的記憶體管理實際上就是物件的管理，其中包括物件的分配和釋放。
對於程式設計師來說，分配物件使用new關鍵字；釋放物件時，只要將物件所有引用賦值為null，讓程式不能夠再訪問到這個物件，我們稱該物件為"不可達的".GC將負責回收所有"不可達"物件的記憶體空間。
對於GC來說，當程式設計師建立物件時，GC就開始監控這個物件的地址、大小以及使用情況。通常，GC採用有向圖的方式記錄和管理堆（heap）中的所有物件。通過這種方式確定哪些物件是"可達的"，哪些物件是"不可達的".當GC確定一些物件為"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能夠在不同平臺實現的問題，Java規範對GC的很多行為都沒有進行嚴格的規定。例如，對於採用什麼型別的回收演算法、什麼時候進行回收等重要問題都沒有明確的規定。因此，不同的JVM的實現者往往有不同的實現演算法。這也給Java程式設計師的開發帶來行多不確定性。本文研究了幾個與GC工作相關的問題，努力減少這種不確定性給Java程式帶來的負面影響。
GC在JVM中通常是由一個或一組程序來實現的，它本身也和使用者程式一樣佔用heap空間，執行時也佔用CPU.當GC程序執行時，應用程式停止執行。因此，當GC執行時間較長時，使用者能夠感到 Java程式的停頓，另外一方面，如果GC執行時間太短，則可能物件回收率太低，這意味著還有很多應該回收的物件沒有被回收，仍然佔用大量記憶體。
因此，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實現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能夠準確的回收記憶體，它並不在意程式速度的放慢。
另外一些實時網路遊戲，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演算法，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在整體效能上可能不如普通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，我們必須在執行Java程式時增加-Xincgc的引數。
HotSpot JVM增量式GC的實現是採用Train GC演算法。它的基本想法就是，將堆中的所有物件按照建立和使用情況進行分組（分層），將使用頻繁高和具有相關性的物件放在一隊中，隨著程式的執行，不斷對組進行調整。當GC執行時，它總是先回收最老的（最近很少訪問的）的物件，如果整組都為可回收物件，GC將整組回收。這樣，每次GC執行只回收一定比例的不可達物件，保證程式的順暢執行。
finalize是位於Object類的一個方法，該方法的訪問修飾符為protected，由於所有類為Object的子類，因此使用者類很容易訪問到這個方法。由於，finalize函式沒有自動實現鏈式呼叫，我們必須手動的實現，因此finalize函式的最後一個語句通常是super.finalize（）。通過這種方式，我們可以實現從下到上實現finalize的呼叫，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保證呼叫finalize函式之前，這個物件是不可達的，但是JVM不保證這個函式一定會被呼叫。另外，規範還保證finalize函式最多執行一次。
很多Java初學者會認為這個方法類似與C++中的解構函式，將很多物件、資源的釋放都放在這一函式裡面。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函式，要對覆蓋這個函式的物件作很多附加的工作。其二，在finalize執行完成之後，該物件可能變成可達的，GC還要再檢查一次該物件是否是可達的。因此，使用 finalize會降低GC的執行效能。其三，由於GC呼叫finalize的時間是不確定的，因此通過這種方式釋放資源也是不確定的。
通常，finalize用於一些不容易控制、並且非常重要資源的釋放，例如一些I/O的操作，資料的連線。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，程式設計師應該以通過程式本身管理（包括釋放）這些資源為主，以finalize函式釋放資源方式為輔，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函式被呼叫以後，仍然可能是可達的，同時也可說明一個物件的finalize只可能執行一次。
1 class MyObject{
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3 Test main; //記錄Test物件，在finalize中時用於恢復可達性
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5 public MyObject(Test t)
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7 {
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9 main=t; //儲存Test 物件
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11 }
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13 protected void finalize()
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15 {
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17 main.ref=this;// 恢復本物件，讓本物件可達
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19 System.out.println("This is finalize");//用於測試finalize只執行一次
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21 }
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23 }
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25 class Test {
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27 MyObject ref;
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29 public static void main(String[] args) {
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31 Test test=new Test();
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33 test.ref=new MyObject(test);
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35 test.ref=null; //MyObject物件為不可達物件，finalize將被呼叫
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37 System.gc();
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39 if (test.ref!=null) System.out.println("My Object還活著");
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41 }
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43 }
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45 執行結果：
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47 This is finalize
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49 MyObject還活著
此例子中，需要注意的是雖然MyObject物件在finalize中變成可達物件，但是下次回收時候，finalize卻不再被呼叫，因為finalize函式最多隻呼叫一次。
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。這三種引用類分別為SoftReference、WeakReference和 PhantomReference.通過使用這些引用類，程式設計師可以在一定程度與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於可達物件和不可達物件之間。
建立一個引用物件也非常容易，例如如果你需要建立一個Soft Reference物件，那麼首先建立一個物件，並採用普通引用方式（可達物件）；然後再建立一個SoftReference引用該物件；最後將普通引用設定為null.通過這種方式，這個物件就只有一個Soft Reference引用。同時，我們稱這個物件為Soft Reference 物件。
Soft Reference的主要特點是據有較強的引用功能。只有當記憶體不夠的時候，才進行回收這類記憶體，因此在記憶體足夠的時候，它們通常不被回收。另外，這些引用物件還能保證在Java丟擲OutOfMemory 異常之前，被設定為null.它可以用於實現一些常用圖片的快取，實現Cache的功能，保證最大限度的使用記憶體而不引起OutOfMemory.以下給出這種引用型別的使用虛擬碼；
1 //申請一個影象物件
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3 Image image=new Image();//建立Image物件
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5 …
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7 //使用 image
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9 …
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11 //使用完了image，將它設定為soft 引用型別，並且釋放強引用；
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13 SoftReference sr=new SoftReference(image);
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15 image=null;
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17 …
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19 //下次使用時
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21 if (sr!=null) image=sr.get();
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23 else{
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25 //由於GC由於低記憶體，已釋放image，因此需要重新裝載；
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27 image=new Image();
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29 sr=new SoftReference(image);
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31 }
Weak引用物件與Soft引用物件的最大不同就在於：GC在進行回收時，需要通過演算法檢查是否回收Soft引用物件，而對於Weak引用物件，GC總是進行回收。Weak引用物件更容易、更快被 GC回收。雖然，GC在執行時一定回收Weak物件，但是複雜關係的Weak物件群常常需要好幾次GC的執行才能完成。Weak引用物件常常用於Map結構中，引用資料量較大的物件，一旦該物件的強引用為null時，GC能夠快速地回收該物件空間。
Phantom引用的用途較少，主要用於輔助 finalize函式的使用。Phantom物件指一些物件，它們執行完了finalize函式，併為不可達物件，但是它們還沒有被GC回收。這種物件可以輔助finalize進行一些後期的回收工作，我們通過覆蓋Reference的clear（）方法，增強資源回收機制的靈活性。
根據GC的工作原理，我們可以通過一些技巧和方式，讓GC執行更加有效率，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.最基本的建議就是儘早釋放無用物件的引用。大多數程式設計師在使用臨時變數的時候，都是讓引用變數在退出活動域（scope）後，自動設定為null.我們在使用這種方式時候，必須特別注意一些複雜的物件圖，例如陣列，佇列，樹，圖等，這些物件之間有相互引用關係較為複雜。對於這類物件，GC回收它們一般效率較低。如果程式允許，儘早將不用的引用物件賦為null.這樣可以加速GC的工作。
2.儘量少用finalize函式。finalize函式是Java提供給程式設計師一個釋放物件或資源的機會。但是，它會加大GC的工作量，因此儘量少採用finalize方式回收資源。
3.如果需要使用經常使用的圖片，可以使用soft應用型別。它可以儘可能將圖片儲存在記憶體中，供程式呼叫，而不引起OutOfMemory.
4.注意集合資料型別，包括陣列，樹，圖，連結串列等資料結構，這些資料結構對GC來說，回收更為複雜。另外，注意一些全域性的變數，以及一些靜態變數。這些變數往往容易引起懸掛物件（dangling reference），造成記憶體浪費。
5.當程式有一定的等待時間，程式設計師可以手動執行System.gc（），通知GC執行，但是Java語言規範並不保證GC一定會執行。使用增量式GC可以縮短Java程式的暫停時間。
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