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Java程序中提高垃圾收集效率的方法

2008-12-29
作者:吳良巧

1 引言
??? 垃圾收集(Garbage Collection)是JAVA程序員在程序開發" title="程序開發">程序開發中感到最方便的一個特性,使程序員擺脫了內存管理的困擾。盡管JVM的垃圾收集器" title="收集器">收集器,已經在結構和算法上作了相當大的改進,但在實際的應用中,尤其在大型的應用軟件" title="應用軟件">應用軟件中,還是會碰到一些實際問題。一個比較普遍的問題是,一些已經沒有用處的對象所占的內存似乎難以釋放,在操作過程中,內存持續階梯式上升,經常在某個時候出現明顯的停頓,在感覺這次操作特別慢,這是由于發生了一次完全的垃圾收集的結果。導致垃圾收集效率的下降,甚至發生內存泄漏的原因是多方面的" title="面的">面的,但由于存在不恰當的對象引用以及復雜的對象引用關系,是發生這個問題的一個重要的因素,同樣處理好對象引用關系也是解決這個問題的關鍵。

2?對象引用分析
??? 在JAVA程序中,被靜態(Static)變量和全局(Global)變量直接或間接引用的對象不能被垃圾收集器收集。假如一個對象被一個靜態變量引用,即使該對象已經沒有用處了,但不能作為垃圾被收集,不僅如此,該對象直接和間接引用的所有對象都不能被收集。
??? 除了上述情況,在理論上,不被靜態變量和全局變量直接或間接引用其他的所有對象,即使它們之間存在著相互引用關系,也可以被垃圾收集器收集。但是,不管垃圾收集器如何工作,對象是否被靜態變量和全局變量直接或間接引用,對象引用關系越復雜,就需要花費更多的時間來處理。因此,由于垃圾收集器結構和算法上的局限,對于一些引用關系復雜的對象,需要經過多次或完全的垃圾收集才可以收集,導致垃圾收集器消耗額外的資源,影響垃圾收集的效率;對于引用關系特別復雜的對象,垃圾收集器可能就根本沒有足夠的時間來處理,容易造成內存的泄漏。
??? 為了說明對象的引用關系,下面以對話框" title="對話框">對話框及其組件為例說明。TestDialog從JDialog繼承,對話框中放置一個JButton按鈕,按鈕添加了一個動作監聽器(ActionListener)。
??? 以下是類的部分代碼:

??? 圖1為對話框和按鈕相關的主要對象的引用關系圖。這里方框表示對象實例(Instance)的類或類型,其中TestDialog$1為TestDialog的匿名內部類,就是添加到按鈕的ActionListener監聽器對象所對應的類;連接線表示對象引用關系,其中箭頭指向的對象被另一個對象直接引用,連接線旁的文字表示引用著被引用對象的屬性(變量),如TestDialog對象直接引用了JButton對象,JButton對象的引用保存在TestDialog的屬性testButton中;Object數組把對象的引用作為元素存放。
??? 從對象引用關系圖中可以看出,一個對象對另外一個對象的引用可能是直接的,也可以通過其他對象的引用發生間接引用。在TestDialog對象和JRootPane對象的引用關系中,通過屬性rootPane直接引用了JRootPane對象;屬性component引用一個Object數組對象,而JRootPane對象又是Object數組的一個元素,因而TestDialog對象又同時間接地引用了JRootPane對象。
在圖1中,還可以看到一個普遍的現象,對象之間經常存在著相互引用關系,而且有時候存在多條的引用的路徑,如TestDialog對象與JButton對象之間的相互引用。首先TestDialog對象中的testButton屬性直接引用了JButton對象,同時,通過容器和組件的關系,通過JRootPane、JPanel等又存在間接的引用;JButton對象反過來又引用TestDialog對象,即通過屬性parent對容器對象有引用,對話框是對話框內組件的頂層容器,JButton對象通過容器和組件的關系實現對TestDialog對象的引用;另外,JButton對象通過監聽器列表對TestDialog$1內部類的對象實例有引用,而匿名內部類對外部的類(即TestDialog)的對象實例有缺省的引用。
??? 單從圖1看,這些對象的引用關系看起來還不太復雜,實際上,很多對象本身的引用關
系已經非常復雜,尤其是Swing組件,這些組件內部的對象引用比較多。以 JButton 為例,為了清晰起見,圖2的對象引用關系圖只畫出了與? 數據模型(Model) 的引用關系。

??? 除了與DefaultButtonModel 對象 的相互引用外,通過 JButton 的屬性 layoutMgr與OverlayLayout的屬性target,JButton和OverlayLayout的對象也形成相互引用;JButton對象還通過以下引用路徑,最后又引用回到本身對象,其中前面表示為類,括號內是該類或父類中的屬性:
JButton (ActionMap actionMap)
-> ActionMap (ActionMap? parent)
-> ActionMapUIResource (AbstractAction$ArrayTable? arrayTable)
-> AbstractAction$ArrayTable (Object? table)
-> Object[] ()
-> BasicButtonListener$PressedAction (AbstractButton? b)
-> JButton;
??? JButton與其他對象的引用路徑在這里不一一列舉。
??? 在這個例子中,一些組件對象已經存在比較復雜的引用關系,在通過與另一些對象又形成相互引用,組成了更加復雜的對象引用關系。在關閉對話框時,如果不作特別的操作,這些對象的引用關系將保持不變,對垃圾收集的效率產生有很大的影響。
??? 在存在引用關系的所有對象中,假如某個對象仍然是有用的,或者不恰當的被靜態變量和全局變量直接或間接引用,導致有引用關系的所有應該成為垃圾的對象都無法被收集,造成一定的內存泄漏。


3?解決方法
??? 為了提高垃圾收集的效率,必須要簡化對象的引用關系,并及時清除靜態變量的引用以避免內存泄漏,具體可以通過以下幾個方面來完成。

3.1?清除直接對象引用

????當一個對象不再被使用時,應該及時清除引用該對象的所有靜態變量;同時,清除該對象中類型為對象的屬性,若有必要,則還應該調用該屬性引用的對象的某個方法來清除內存或釋放資源。如在對話框的例子中,當對話框關閉時,應該清除屬性testButton的引用,這時可以簡單的使用賦值語句:
??? testButton = null;
??? 可以使對象的引用關系變得簡單些。

3.2?調用對象的特定方法

??? 當一個對象不再被使用時,如果對象提供了用來清除引用或釋放資源的方法,應該調用這些方法,但注意調用的時機或順序,避免引起異常現象。這些方法包括對話框的dispose方法,容器組件的remove方法,Swing組件的UI的uninstall方法,移除監聽器方法等,也可以是某個類的本身定義的清除引用方法。
??? 在對話框的例子中,對話框的dispose方法主要釋放一些與本地有關的資源,若不調用,將不能清除對話框的一個全局引用,造成內存泄漏;容器的remove方法,該方法主要清除了容器的變量componet對數組的引用以及數組對子組件對象的引用,同時也清除了子組件對象中 的變量parent對容器對象的引用,若清除容器中的所有組件,則可簡單的調用removeAll方法清除;在JButton中,可以調用setMode(null)來設置Model,不僅清除了JButton對象中的model和changeListener對象引用,而且同時清除了DefaultButtonModel對 AbstractButton$ButtonChangeListener 監聽器對象的間接引用。 如果調用了上述的這些方法,在對話框例子中,許多的對象引用被清除,極大地簡化了各個對象之間的引用關系。

3.3?慎重使用內部類

??? 非靜態內部類(包含一般的匿名內部類)中,隱含著外部的類的對象實例的一個引用,這個引用無法清除。在對話框的例子中,匿名內部類實際包含這樣的一個屬性(變量):
??? private final test.TestDialog this$0;
??? 這個屬性在內部類中就是源代碼中使用的TestDialog.this。由于該屬性是final修飾,所有不允許再次賦值,即不可以清除。同樣,由于沒有使用變量來保存該監聽器對象的引用,因此無法簡單地使用JButton的removeActionListener方法移除加在按鈕上的監聽器。為了清除上述的引用關系,可以把匿名內部類該寫為一個靜態內部類,把對話框的實例作為該內部類的構造器的參數顯式地傳入,同時在對話框中保存該內部類的對象引用。在清除引用時,既可以移除監聽器,也可以通過監聽器變量清除內部類的對話框引用。原來的對話框部分代碼可以改為以下代碼,這時應該使用dialog變量,而不是??? TestDialog.this:
??

4?結束語
??? 通過各種方法清除對象的引用,簡化了相關對象的引用關系,使得應該成為垃圾的對象及時被收集而釋放內存,從而減少程序對操作系統的內存需求。在大型應用軟件“永中Office”的實際應用過程中,在處理對象引用關系復雜的情況時,采用簡化對象引用關系的方法,垃圾收集的問題已經取得明顯的效果。


參考文獻
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1 [ISBN7-111-09635-5/TP-2242] Joshua Bloch 著.

2 Java 高效編程指南.北京:機械工業出版社,2002:3-12 .

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