本章概要

• 垃圾回收器
  • finalize() 的用途
  • 你必须实施清理
  • 终结条件
  • 垃圾回收器如何工作

垃圾回收器

程序员都了解初始化的重要性，但通常会忽略清理的重要性。毕竟，谁会去清理一个 int 呢？但是使用完一个对象就不管它并非总是安全的。Java 中有垃圾回收器回收无用对象占用的内存。但现在考虑一种特殊情况：你创建的对象不是通过 new 来分配内存的，而垃圾回收器只知道如何释放用 new 创建的对象的内存，所以它不知道如何回收不是 new 分配的内存。为了处理这种情况，Java 允许在类中定义一个名为 finalize() 的方法。

它的工作原理"假定"是这样的：当垃圾回收器准备回收对象的内存时，首先会调用其 finalize() 方法，并在下一轮的垃圾回收动作发生时，才会真正回收对象占用的内存。所以如果你打算使用 finalize() ，就能在垃圾回收时做一些重要的清理工作。finalize() 是一个潜在的编程陷阱，因为一些程序员（尤其是 C++ 程序员）会一开始把它误认为是 C++ 中的析构函数（C++ 在销毁对象时会调用这个函数）。所以有必要明确区分一下：在 C++ 中，对象总是被销毁的（在一个 bug-free 的程序中），而在 Java 中，对象并非总是被垃圾回收，或者换句话说：

1. 对象可能不被垃圾回收。
2. 垃圾回收不等同于析构。

这意味着在你不再需要某个对象之前，如果必须执行某些动作，你得自己去做。Java 没有析构器或类似的概念，所以你必须得自己创建一个普通的方法完成这项清理工作。例如，对象在创建的过程中会将自己绘制到屏幕上。如果不是明确地从屏幕上将其擦除，它可能永远得不到清理。如果在 finalize() 方法中加入某种擦除功能，那么当垃圾回收发生时，finalize() 方法被调用（不保证一定会发生），图像就会被擦除，要是"垃圾回收"没有发生，图像则仍会保留下来。

也许你会发现，只要程序没有濒临内存用完的那一刻，对象占用的空间就总也得不到释放。如果程序执行结束，而垃圾回收器一直没有释放你创建的任何对象的内存，则当程序退出时，那些资源会全部交还给操作系统。这个策略是恰当的，因为垃圾回收本身也有开销，要是不使用它，那就不用支付这部分开销了。

finalize() 的用途

如果你不能将 finalize() 作为通用的清理方法，那么这个方法有什么用呢？

这引入了要记住的第3点：

3. 垃圾回收只与内存有关。

也就是说，使用垃圾回收的唯一原因就是为了回收程序不再使用的内存。所以对于与垃圾回收有关的任何行为来说（尤其是 finalize() 方法），它们也必须同内存及其回收有关。

但这是否意味着如果对象中包括其他对象，finalize() 方法就应该明确释放那些对象呢？不是，无论对象是如何创建的，垃圾回收器都会负责释放对象所占用的所有内存。这就将对 finalize() 的需求限制到一种特殊情况，即通过某种创建对象方式之外的方式为对象分配了存储空间。不过，你可能会想，Java 中万物皆对象，这种情况怎么可能发生？

看起来之所以有 finalize() 方法，是因为在分配内存时可能采用了类似 C 语言中的做法，而非 Java 中的通常做法。这种情况主要发生在使用"本地方法"的情况下，本地方法是一种用 Java 语言调用非 Java 语言代码的形式。本地方法目前只支持 C 和 C++，但是它们可以调用其他语言写的代码，所以实际上可以调用任何代码。在非 Java 代码中，也许会调用 C 的 malloc() 函数系列来分配存储空间，而且除非调用 free() 函数，不然存储空间永远得不到释放，造成内存泄露。但是，free() 是 C 和 C++ 中的函数，所以你需要在 finalize() 方法里用本地方法调用它。

读到这里，你可能明白了不会过多使用 finalize() 方法。对，它确实不是进行普通的清理工作的合适场所。那么，普通的清理工作在哪里执行呢？

你必须实施清理

要清理一个对象，用户必须在需要清理的时候调用执行清理动作的方法。这听上去相当直接，但却与 C++ 中的"析构函数"的概念稍有抵触。在 C++ 中，所有对象都会被销毁，或者说应该被销毁。如果在 C++ 中创建了一个局部对象（在栈上创建，在 Java 中不行），此时的销毁动作发生在以"右花括号"为边界的、此对象作用域的末尾处。如果对象是用 new 创建的（类似于 Java 中），那么当程序员调用 C++ 的 delete 操作符时（Java 中不存在），就会调用相应的析构函数。如果程序员忘记调用 delete，那么永远不会调用析构函数，这样就会导致内存泄露，对象的其他部分也不会得到清理。这种 bug 很难跟踪，也是让 C++ 程序员转向 Java 的一个主要因素。相反，在 Java 中，没有用于释放对象的 delete，因为垃圾回收器会帮助你释放存储空间。甚至可以肤浅地认为，正是由于垃圾回收的存在，使得 Java 没有析构函数。然而，随着学习的深入，你会明白垃圾回收器的存在并不能完全替代析构函数（而且绝对不能直接调用 finalize()，所以这也不是一种解决方案）。如果希望进行除释放存储空间之外的清理工作，还是得明确调用某个恰当的 Java 方法：这就等同于使用析构函数了，只是没有它方便。

记住，无论是"垃圾回收"还是"终结"，都不保证一定会发生。如果 Java 虚拟机（JVM）并未面临内存耗尽的情形，它可能不会浪费时间执行垃圾回收以恢复内存。

终结条件

通常，不能指望 finalize() ，你必须创建其他的"清理"方法，并明确地调用它们。所以看起来，finalize() 只对大部分程序员很难用到的一些晦涩内存清理里有用了。但是，finalize() 还有一个有趣的用法，它不依赖于每次都要对 finalize() 进行调用，这就是对象终结条件的验证。

当对某个对象不感兴趣时——也就是它将被清理了，这个对象应该处于某种状态，这种状态下它占用的内存可以被安全地释放掉。例如，如果对象代表了一个打开的文件，在对象被垃圾回收之前程序员应该关闭这个文件。只要对象中存在没有被适当清理的部分，程序就存在很隐晦的 bug。finalize() 可以用来最终发现这个情况，尽管它并不总是被调用。如果某次 finalize() 的动作使得 bug 被发现，那么就可以据此找出问题所在——这才是人们真正关心的。以下是个简单的例子，示范了 finalize() 的可能使用方式：

// housekeeping/TerminationCondition.java
// Using finalize() to detect a object that
// hasn't been properly cleaned upimport onjava.*;class Book {boolean checkedOut = false;Book(boolean checkOut) {checkedOut = checkOut;}void checkIn() {checkedOut = false;}@Overrideprotected void finalize() throws Throwable {if (checkedOut) {System.out.println("Error: checked out");}// Normally, you'll also do this:// super.finalize(); // Call the base-class version}
}public class TerminationCondition {public static void main(String[] args) {Book novel = new Book(true);// Proper cleanup:novel.checkIn();// Drop the reference, forget to clean up:new Book(true);// Force garbage collection & finalization:System.gc();new Nap(1); // One second delay}}

输出：

Error: checked out

本例的终结条件是：所有的 Book 对象在被垃圾回收之前必须被登记。但在 main() 方法中，有一本书没有登记。要是没有 finalize() 方法来验证终结条件，将会很难发现这个 bug。

你可能注意到使用了 @Override。@ 意味着这是一个注解，注解是关于代码的额外信息。在这里，该注解告诉编译器这不是偶然地重定义在每个对象中都存在的 finalize() 方法——程序员知道自己在做什么。编译器确保你没有拼错方法名，而且确保那个方法存在于基类中。注解也是对读者的提醒，@Override 在 Java 5 引入，在 Java 7 中改善，本书通篇会出现。

注意，System.gc() 用于强制进行终结动作。但是即使不这么做，只要重复地执行程序（假设程序将分配大量的存储空间而导致垃圾回收动作的执行），最终也能找出错误的 Book 对象。

你应该总是假设基类版本的 finalize() 也要做一些重要的事情，使用 super 调用它，就像在 Book.finalize() 中看到的那样。本例中，它被注释掉了，因为它需要进行异常处理，而我们到现在还没有涉及到。

垃圾回收器如何工作

如果你以前用过的语言，在堆上分配对象的代价十分高昂，你可能自然会觉得 Java 中所有对象（基本类型除外）在堆上分配的方式也十分高昂。然而，垃圾回收器能很明显地提高对象的创建速度。这听起来很奇怪——存储空间的释放影响了存储空间的分配，但这确实是某些 Java 虚拟机的工作方式。这也意味着，Java 从堆空间分配的速度可以和其他语言在栈上分配空间的速度相媲美。

例如，你可以把 C++ 里的堆想象成一个院子，里面每个对象都负责管理自己的地盘。一段时间后，对象可能被销毁，但地盘必须复用。在某些 Java 虚拟机中，堆的实现截然不同：它更像一个传送带，每分配一个新对象，它就向前移动一格。这意味着对象存储空间的分配速度特别快。Java 的"堆指针"只是简单地移动到尚未分配的区域，所以它的效率与 C++ 在栈上分配空间的效率相当。当然实际过程中，在簿记工作方面还有少量额外开销，但是这部分开销比不上查找可用空间开销大。

你可能意识到了，Java 中的堆并非完全像传送带那样工作。要是那样的话，势必会导致频繁的内存页面调度——将其移进移出硬盘，因此会显得需要拥有比实际需要更多的内存。页面调度会显著影响性能。最终，在创建了足够多的对象后，内存资源被耗尽。其中的秘密在于垃圾回收器的介入。当它工作时，一边回收内存，一边使堆中的对象紧凑排列，这样"堆指针"就可以很容易地移动到更靠近传送带的开始处，也就尽量避免了页面错误。垃圾回收器通过重新排列对象，实现了一种高速的、有无限空间可分配的堆模型。

要想理解 Java 中的垃圾回收，先了解其他系统中的垃圾回收机制将会很有帮助。一种简单但速度很慢的垃圾回收机制叫做_引用计数_。每个对象中含有一个引用计数器，每当有引用指向该对象时，引用计数加 1。当引用离开作用域或被置为 null 时，引用计数减 1。因此，管理引用计数是一个开销不大但是在程序的整个生命周期频繁发生的负担。垃圾回收器会遍历含有全部对象的列表，当发现某个对象的引用计数为 0 时，就释放其占用的空间（但是，引用计数模式经常会在计数为 0 时立即释放对象）。这个机制存在一个缺点：如果对象之间存在循环引用，那么它们的引用计数都不为 0，就会出现应该被回收但无法被回收的情况。对垃圾回收器而言，定位这样的循环引用所需的工作量极大。引用计数常用来说明垃圾回收的工作方式，但似乎从未被应用于任何一种 Java 虚拟机实现中。

在更快的策略中，垃圾回收器并非基于引用计数。它们依据的是：对于任意"活"的对象，一定能最终追溯到其存活在栈或静态存储区中的引用。这个引用链条可能会穿过数个对象层次，由此，如果从栈或静态存储区出发，遍历所有的引用，你将会发现所有"活"的对象。对于发现的每个引用，必须追踪它所引用的对象，然后是该对象包含的所有引用，如此反复进行，直到访问完"根源于栈或静态存储区的引用"所形成的整个网络。你所访问过的对象一定是"活"的。注意，这解决了对象间循环引用的问题，这些对象不会被发现，因此也就被自动回收了。

在这种方式下，Java 虚拟机采用了一种_自适应_的垃圾回收技术。至于如何处理找到的存活对象，取决于不同的 Java 虚拟机实现。其中有一种做法叫做停止-复制（stop-and-copy）。顾名思义，这需要先暂停程序的运行（不属于后台回收模式），然后将所有存活的对象从当前堆复制到另一个堆，没有复制的就是需要被垃圾回收的。另外，当对象被复制到新堆时，它们是一个挨着一个紧凑排列，然后就可以按照前面描述的那样简单、直接地分配新空间了。

当对象从一处复制到另一处，所有指向它的引用都必须修正。位于栈或静态存储区的引用可以直接被修正，但可能还有其他指向这些对象的引用，它们在遍历的过程中才能被找到（可以想象成一个表格，将旧地址映射到新地址）。

这种所谓的"复制回收器"效率低下主要因为两个原因。其一：得有两个堆，然后在这两个分离的堆之间来回折腾，得维护比实际需要多一倍的空间。某些 Java 虚拟机对此问题的处理方式是，按需从堆中分配几块较大的内存，复制动作发生在这些大块内存之间。

其二在于复制本身。一旦程序进入稳定状态之后，可能只会产生少量垃圾，甚至没有垃圾。尽管如此，复制回收器仍然会将所有内存从一处复制到另一处，这很浪费。为了避免这种状况，一些 Java 虚拟机会进行检查：要是没有新垃圾产生，就会转换到另一种模式（即"自适应"）。这种模式称为标记-清扫（mark-and-sweep），Sun 公司早期版本的 Java 虚拟机一直使用这种技术。对一般用途而言，"标记-清扫"方式速度相当慢，但是当你知道程序只会产生少量垃圾甚至不产生垃圾时，它的速度就很快了。

"标记-清扫"所依据的思路仍然是从栈和静态存储区出发，遍历所有的引用，找出所有存活的对象。但是，每当找到一个存活对象，就给对象设一个标记，并不回收它。只有当标记过程完成后，清理动作才开始。在清理过程中，没有标记的对象将被释放，不会发生任何复制动作。"标记-清扫"后剩下的堆空间是不连续的，垃圾回收器要是希望得到连续空间的话，就需要重新整理剩下的对象。

"停止-复制"指的是这种垃圾回收动作不是在后台进行的；相反，垃圾回收动作发生的同时，程序将会暂停。在 Oracle 公司的文档中会发现，许多参考文献将垃圾回收视为低优先级的后台进程，但是早期版本的 Java 虚拟机并不是这么实现垃圾回收器的。当可用内存较低时，垃圾回收器会暂停程序。同样，"标记-清扫"工作也必须在程序暂停的情况下才能进行。

如前文所述，这里讨论的 Java 虚拟机中，内存分配以较大的"块"为单位。如果对象较大，它会占用单独的块。严格来说，"停止-复制"要求在释放旧对象之前，必须先将所有存活对象从旧堆复制到新堆，这导致了大量的内存复制行为。有了块，垃圾回收器就可以把对象复制到废弃的块。每个块都有年代数来记录自己是否存活。通常，如果块在某处被引用，其年代数加 1，垃圾回收器会对上次回收动作之后新分配的块进行整理。这对处理大量短命的临时对象很有帮助。垃圾回收器会定期进行完整的清理动作——大型对象仍然不会复制（只是年代数会增加），含有小型对象的那些块则被复制并整理。Java 虚拟机会监视，如果所有对象都很稳定，垃圾回收的效率降低的话，就切换到"标记-清扫"方式。同样，Java 虚拟机会跟踪"标记-清扫"的效果，如果堆空间出现很多碎片，就会切换回"停止-复制"方式。这就是"自适应"的由来，你可以给它个啰嗦的称呼："自适应的、分代的、停止-复制、标记-清扫"式的垃圾回收器。

Java 虚拟机中有许多附加技术用来提升速度。尤其是与加载器操作有关的，被称为"即时"（Just-In-Time, JIT）编译器的技术。这种技术可以把程序全部或部分翻译成本地机器码，所以不需要 JVM 来进行翻译，因此运行得更快。当需要装载某个类（通常是创建该类的第一个对象）时，编译器会先找到其 .class 文件，然后将该类的字节码装入内存。你可以让即时编译器编译所有代码，但这种做法有两个缺点：一是这种加载动作贯穿整个程序生命周期内，累加起来需要花更多时间；二是会增加可执行代码的长度（字节码要比即时编译器展开后的本地机器码小很多），这会导致页面调度，从而一定降低程序速度。另一种做法称为_惰性评估_，意味着即时编译器只有在必要的时候才编译代码。这样，从未被执行的代码也许就压根不会被 JIT 编译。新版 JDK 中的 Java HotSpot 技术就采用了类似的做法，代码每被执行一次就优化一些，所以执行的次数越多，它的速度就越快。