摘   要： 由Java語言與C/C++對象在內存管理方式的不同，引出了Java語言的優勢技術——垃圾處理技術。通過對GC工作原理的闡述及對一些傳統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。
關鍵詞： Java; GC; 垃圾回收; 收集器

    Java從誕生以來以其在網絡應用開發上獨特的魅力以及“一次開發，隨處運行”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，在開發方面具有很大的優勢，其中以對象內存管理機制中的垃圾處理機制(GC)最為突出。
1 C/C++與Java對象內存管理差別
    C/C++將內存劃分成四部分：數據區、代碼區、棧區、堆區。Java則把內存劃分成三部分即代碼區、棧區、堆區，代碼區主要用于存放程序的代碼，棧區主要用于存放局部變量、內部變量等中間性變量，堆區主要用來存放對象。
    C/C++中的對象內存管理是通過語句new（）/delete（）或malloc（）/free（）進行申請和釋放的。用new（）或malloc（）申請內存后，若不使用delete（）或free（）進行釋放，則所申請的內存一直被占用，即使不使用也不能自動釋放，必須人為釋放，導致編程工作很繁瑣。
    Java中的對象內存管理則改進了對內存的釋放過程，使用new（）或其他方法申請的內存在不使用時，可以自動進行垃圾處理，釋放內存，從而節省內存，使內存的使用更加高效、合理。
    Java中可以通過三種方法來銷毀對象實現內存釋放，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方法強制啟動垃圾回收器。
    垃圾回收是一種動態存儲管理技術，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現資源自動回收的功能系統，會自動進行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行回收處理。判斷一個對象的內存空間是否無用的標準是：如果該對象不能再被程序中任何一個“活動的部分”所引用，此時該對象的內存空間已經無用。所謂“活動的部分”，是指程序中某部分參與程序的調用，正在執行過程中，尚未執行完畢。
    具體以下兩例予以說明：
　實例1：
　int [][]matrix=new int [2][3];
　matrix=null;
　此例中，第一句是用new語句在堆中為數組申請了一個空間，然后用matrix來引用此空間的對象（這里數組可以理解為對象），此時這個內存空間就是有用的。第二句是給matrix賦空值，matrix則不再引用此數組。此時，這個空間就是無用的。
　實例2：
　int [][] m1=new int[2][3];
　int [][] m2=new int[2][3];
　m1=m2;
　此例中，第一句是用new語句在堆中為數組申請了一個空間，用m1引用這個數組。第二句是用new語句在堆中為數組申請了一個空間，用m2引用這個數組。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引用的對象數組，因此，m1原來引用的數組無人引用，成為垃圾。
3 傳統收集器簡介
    Java依托于垃圾收集GC機制，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：引用計數法(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 引用計數法
    引用計數法是唯一沒有使用根集的垃圾回收的方法，該算法使用引用計數器來區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一個引用計數器。當每一次創建一個對象并賦給一個變量時，引用計數器置為1。當對象被賦給任意變量時，引用計數器每次加1，當對象出了作用域后(該對象丟棄不再使用)，引用計數器減1，一旦引用計數器為0，對象就滿足了垃圾收集的條件。
    基于引用計數器的垃圾收集器運行較快，不會長時間中斷程序執行，必須適宜地實時運行的程序。但引用計數器增加了程序執行的開銷，因為每次對象賦給新的變量，計數器加1，而每次現有對象出了作用域，計數器減1。
3.2 Tracing算法
    Tracing算法是為了解決引用計數法的問題而提出，它使用了根集的概念。基于Tracing算法的垃圾收集器從根集開始掃描，識別出哪些對象可達，哪些對象不可達，并用某種方式標記可達對象，例如對每個可達對象設置一個或多個位。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存區，收集器會對它移動的所有對象的所有引用進行更新，使得這些引用在新的位置能識別原來 的對象。在基于Compacting算法的收集器的實現中，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制到空閑面(使得活動對象所占的內存之間沒有空閑洞)，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域面，在對象面與空閑區域面的切換過程中，程序暫停執行。
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。在程序設計中有這樣的規律：多數對象存在的時間比較短，少數的存在時間比較長。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行后，上次運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常被回收，因而節省了時間。
3.6 Adaptive算法
    在特定的情況下，一些垃圾收集算法會優于其他算法。基于Adaptive算法的垃圾收集器就是監控當前堆的使用情況，并將選擇適當算法的垃圾收集器。
4 GC新算法概述
　　基于上述對幾種收集器算法優缺點的對比分析，提出一種既可以滿足程序對實時性的要求，同時也能避免內存泄漏的較完全的垃圾處理算法。
4.1算法描述
4.1.1內存劃分
    (1)把一個堆內存劃分成兩大塊，一塊是活躍區,占堆大小的2/3，活躍區劃分成大小相同的8個塊，并且為每個塊設置一個計數器int cnt[x](x取1~8)，用來記錄每塊內存中動態分配的被引用對象總數。另一塊是保留區,占堆大小的1/3，設置兩個常數min和max，分別用來表示保留區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的值可以自行設置但最大值不超過堆大小的1/3）。
    (2)為堆中的每個對象設置一個標記位(標記位放在一個專用數組cnt[x](x取1~8)中)以表示其是否被引用，在對象被引用時計數器就開始動態地統計計數，記錄本塊中被引用的對象個數。
    (3)通過比較計數器值的大小來判斷應該掃描哪個塊，而不是利用搜索所有對象的方法。具體結構如圖1。

4.1.2具體算法
    (1)程序開始運行，對象動態地申請堆區，這時，每個塊的計數器啟動，根據引用對象的標記位情況來改變計數器的值，為1則計數器加1，8個計數器值放在數組里，并比較8個計數器值的大小，選取最大的計數器所在塊，進行掃描。
    (2)掃描出的垃圾轉移到刪除區，等待被刪除。
    (3)繼續比較計數器值,但已經進行掃描的塊不參加此后的比較，待刪除的垃圾占的空間達到min值時，垃圾器開始對活躍區壓縮內存碎片，并且在刪除區同時開始進行垃圾刪除申請。
    (4)當刪除區的空間達到了max值時，刪除區的垃圾還沒有被刪除，這時停止活躍區的掃描，等待刪除區進行垃圾刪除。
4.2 實例分析
　 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語句在堆中為數組申請了一個空間，然后用matrix引用此空間的對象（這里數組可以理解為對象），此時這個內存空間就是有用的。第二句是給matrix賦空值，matrix則不再引用此數組。此時，這個空間就是無用的。
　對于原來的算法，m1引用的數組在堆中是隨機存放的，若要查找垃圾，則會遍歷整個堆內存，先標記，然后再清理垃圾。設耗費時間為Ta。
　m1引用的數組在堆中是隨機存放的，所以假設其放在活躍區中的cnt[x]區（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原來引用的數組放在cnt1中為數組cnt[x]中最大的數，則查找到這個垃圾的時間為: T8+cnt[x]。

    由此可以節省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質，但是,一個優秀的Java程序員應該掌握和熟悉垃圾處理器的工作機制，充分利用好內存空間，減少不必要的空間浪費，從而使程序更好地運行。

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