# 附录E 关于垃圾收集的一些话 “很难相信Java居然能和C++一样快，甚至还能更快一些。” 据我自己的实践，这种说法确实成立。然而，我也发现许多关于速度的怀疑都来自一些早期的实现方式。由于这些方式并非特别有效，所以没有一个模型可供参考，不能解释Java速度快的原因。 我之所以想到速度，部分原因是由于C++模型。C++将自己的主要精力放在编译期间“静态”发生的所有事情上，所以程序的运行期版本非常短小和快速。C++也直接建立在C模型的基础上（主要为了向后兼容），但有时仅仅由于它在C中能按特定的方式工作，所以也是C++中最方便的一种方法。最重要的一种情况是C和C++对内存的管理方式，它是某些人觉得Java速度肯定慢的重要依据：在Java中，所有对象都必须在内存“堆”里创建。 而在C++中，对象是在栈中创建的。这样可达到更快的速度，因为当我们进入一个特定的作用域时，栈指针会向下移动一个单位，为那个作用域内创建的、以栈为基础的所有对象分配存储空间。而当我们离开作用域的时候（调用完毕所有局部构造器后），栈指针会向上移动一个单位。然而，在C++里创建“内存堆”（Heap）对象通常会慢得多，因为它建立在C的内存堆基础上。这种内存堆实际是一个大的内存池，要求必须进行再循环（复用）。在C++里调用`delete`以后，释放的内存会在堆里留下一个洞，所以再调用`new`的时候，存储分配机制必须进行某种形式的搜索，使对象的存储与堆内任何现成的洞相配，否则就会很快用光堆的存储空间。之所以内存堆的分配会在C++里对性能造成如此重大的性能影响，对可用内存的搜索正是一个重要的原因。所以创建基于栈的对象要快得多。 同样地，由于C++如此多的工作都在编译期间进行，所以必须考虑这方面的因素。但在Java的某些地方，事情的发生却要显得“动态”得多，它会改变模型。创建对象的时候，垃圾收集器的使用对于提高对象创建的速度产生了显著的影响。从表面上看，这种说法似乎有些奇怪——存储空间的释放会对存储空间的分配造成影响，但它正是JVM采取的重要手段之一，这意味着在Java中为堆对象分配存储空间几乎能达到与C++中在栈里创建存储空间一样快的速度。 可将C++的堆（以及更慢的Java堆）想象成一个庭院，每个对象都拥有自己的一块地皮。在以后的某个时间，这种“不动产”会被抛弃，而且必须复用。但在某些JVM里，Java堆的工作方式却是颇有不同的。它更象一条传送带：每次分配了一个新对象后，都会朝前移动。这意味着对象存储空间的分配可以达到非常快的速度。“堆指针”简单地向前移至处女地，所以它与C++的栈分配方式几乎是完全相同的（当然，在数据记录上会多花一些开销，但要比搜索存储空间快多了）。 现在，大家可能注意到了堆事实并非一条传送带。如按那种方式对待它，最终就要求进行大量的页交换（这对性能的发挥会产生巨大干扰），这样终究会用光内存，出现内存分页错误。所以这儿必须采取一个技巧，那就是著名的“垃圾收集器”。它在收集“垃圾”的同时，也负责压缩堆里的所有对象，将“堆指针”移至尽可能靠近传送带开头的地方，远离发生（内存）分页错误的地点。垃圾收集器会重新安排所有东西，使其成为一个高速、无限自由的堆模型，同时游刃有余地分配存储空间。 为真正掌握它的工作原理，我们首先需要理解不同垃圾收集器（GC）采取的工作方案。一种简单、但速度较慢的GC技术是引用计数。这意味着每个对象都包含了一个引用计数器。每当一个引用同一个对象连接起来时，引用计数器就会自增。每当一个引用超出自己的作用域，或者设为`null`时，引用计数就会自减。这样一来，只要程序处于运行状态，就需要连续进行引用计数管理——尽管这种管理本身的开销比较少。垃圾收集器会在整个对象列表中移动巡视，一旦它发现其中一个引用计数成为0，就释放它占据的存储空间。但这样做也有一个缺点：若对象相互之间进行循环引用，那么即使引用计数不是0，仍有可能属于应收掉的“垃圾”。为了找出这种自引用的组，要求垃圾收集器进行大量额外的工作。引用计数属于垃圾收集的一种类型，但它看起来并不适合在所有JVM方案中采用。 在速度更快的方案里，垃圾收集并不建立在引用计数的基础上。相反，它们基于这样一个原理：所有非死锁的对象最终都肯定能回溯至一个引用，该引用要么存在于栈中，要么存在于静态存储空间。这个回溯链可能经历了几层对象。所以，如果从栈和静态存储区域开始，并经历所有引用，就能找出所有活动的对象。对于自己找到的每个引用，都必须跟踪到它指向的那个对象，然后跟随那个对象中的所有引用，“跟踪追击”到它们指向的对象……等等，直到遍历了从栈或静态存储区域中的引用发起的整个链接网路为止。中途移经的每个对象都必须仍处于活动状态。注意对于那些特殊的自引用组，并不会出现前述的问题。由于它们根本找不到，所以会自动当作垃圾处理。 在这里阐述的方法中，JVM采用一种“自适应”的垃圾收集方案。对于它找到的那些活动对象，具体采取的操作取决于当前正在使用的是什么变体。其中一个变体是“停止和复制”。这意味着由于一些不久之后就会非常明显的原因，程序首先会停止运行（并非一种后台收集方案）。随后，已找到的每个活动对象都会从一个内存堆复制到另一个，留下所有的垃圾。除此以外，随着对象复制到新堆，它们会一个接一个地聚焦在一起。这样可使新堆显得更加紧凑（并使新的存储区域可以简单地抽离末尾，就象前面讲述的那样）。 当然，将一个对象从一处挪到另一处时，指向那个对象的所有引用（引用）都必须改变。对于那些通过跟踪内存堆的对象而获得的引用，以及那些静态存储区域，都可以立即改变。但在“遍历”过程中，还有可能遇到指向这个对象的其他引用。一旦发现这个问题，就当即进行修正（可想象一个散列表将老地址映射成新地址）。 有两方面的问题使复制收集器显得效率低下。第一个问题是我们拥有两个堆，所有内存都在这两个独立的堆内来回移动，要求付出的管理量是实际需要的两倍。为解决这个问题，有些JVM根据需要分配内存堆，并将一个堆简单地复制到另一个。 第二个问题是复制。随着程序变得越来越“健壮”，它几乎不产生或产生很少的垃圾。尽管如此，一个副本收集器仍会将所有内存从一处复制到另一处，这显得非常浪费。为避免这个问题，有些JVM能侦测是否没有产生新的垃圾，并随即改换另一种方案（这便是“自适应”的缘由）。另一种方案叫作“标记和清除”，Sun公司的JVM一直采用的都是这种方案。对于常规性的应用，标记和清除显得非常慢，但一旦知道自己不产生垃圾，或者只产生很少的垃圾，它的速度就会非常快。 标记和清除采用相同的逻辑：从栈和静态存储区域开始，并跟踪所有引用，寻找活动对象。然而，每次发现一个活动对象的时候，就会设置一个标记，为那个对象作上“记号”。但此时尚不收集那个对象。只有在标记过程结束，清除过程才正式开始。在清除过程中，死锁的对象会被释放然而，不会进行任何形式的复制，所以假若收集器决定压缩一个断续的内存堆，它通过移动周围的对象来实现。 “停止和复制”向我们表明这种类型的垃圾收集并不是在后台进行的；相反，一旦发生垃圾收集，程序就会停止运行。在Sun公司的文档库中，可发现许多地方都将垃圾收集定义成一种低优先级的后台进程，但它只是一种理论上的实验，实际根本不能工作。在实际应用中，Sun的垃圾收集器会在内存减少时运行。除此以外，“标记和清除”也要求程序停止运行。 正如早先指出的那样，在这里介绍的JVM中，内存是按大块分配的。若分配一个大块头对象，它会获得自己的内存块。严格的“停止和复制”要求在释放旧堆之前，将每个活动的对象从源堆复制到一个新堆，此时会涉及大量的内存转换工作。通过内存块，垃圾收集器通常可利用死块复制对象，就象它进行收集时那样。每个块都有一个生成计数，用于跟踪它是否依然“存活”。通常，只有自上次垃圾收集以来创建的块才会得到压缩；对于其他所有块，如果已从其他某些地方进行了引用，那么生成计数都会溢出。这是许多短期的、临时的对象经常遇到的情况。会周期性地进行一次完整清除工作——大块头的对象仍未复制（只是让它们的生成计数溢出），而那些包含了小对象的块会进行复制和压缩。JVM会监视垃圾收集器的效率，如果由于所有对象都属于长期对象，造成垃圾收集成为浪费时间的一个过程，就会切换到“标记和清除”方案。类似地，JVM会跟踪监视成功的“标记与清除”工作，若内存堆变得越来越“散乱”，就会换回“停止和复制”方案。“自定义”的说法就是从这种行为来的，我们将其最后总结为：“根据情况，自动转换停止和复制／标记和清除这两种模式”。 JVM还采用了其他许多加速方案。其中一个特别重要的涉及装载器以及JIT编译器。若必须装载一个类（通常是我们首次想创建那个类的一个对象时），会找到`.class`文件，并将那个类的字节码送入内存。此时，一个方法是用JIT编译所有代码，但这样做有两方面的缺点：它会花更多的时间，若与程序的运行时间综合考虑，编译时间还有可能更长；而且它增大了执行文件的长度（字节码比扩展过的JIT代码精简得多），这有可能造成内存页交换，从而显著放慢一个程序的执行速度。另一种替代办法是：除非确有必要，否则不经JIT编译。这样一来，那些根本不会执行的代码就可能永远得不到JIT的编译。 由于JVM对浏览器来说是外置的，大家可能希望在使用浏览器的时候从一些JVM的速度提高中获得好处。但非常不幸，JVM目前不能与不同的浏览器进行沟通。为发挥一种特定JVM的潜力，要么使用内建了那种JVM的浏览器，要么只有运行独立的Java应用程序。