Java程序員在編碼過程中通常不需要考慮內(nèi)存問題，JVM經(jīng)過高度優(yōu)化的GC機(jī)制大部分情況下都能夠很好地處理堆(Heap)的清理問題。以至于許多Java程序員認(rèn)為，我只需要關(guān)心何時(shí)創(chuàng)建對(duì)象，而回收對(duì)象，就交給GC來做吧！甚至有人說，如果在編程過程中頻繁考慮內(nèi)存問題，是一種退化，這些事情應(yīng)該交給編譯器，交給虛擬機(jī)來解決。

這話其實(shí)也沒有太大問題，的確，大部分場景下關(guān)心內(nèi)存、GC的問題，顯得有點(diǎn)“杞人憂天”了，高老爺說過：

過早優(yōu)化是萬惡之源。

但另一方面，什么才是“過早優(yōu)化”？

If we could do things right for the first time, why not?

事實(shí)上JVM的內(nèi)存模型( JMM )理應(yīng)是Java程序員的基礎(chǔ)知識(shí)，處理過幾次JVM線上內(nèi)存問題之后就會(huì)很明顯感受到，很多系統(tǒng)問題，都是內(nèi)存問題。

對(duì)JVM內(nèi)存結(jié)構(gòu)感興趣的同學(xué)可以看下 淺析Java虛擬機(jī)結(jié)構(gòu)與機(jī)制 這篇文章，本文就不再贅述了，本文也并不關(guān)注具體的GC算法，相關(guān)的文章汗牛充棟，隨時(shí)可查。

另外，不要指望GC優(yōu)化的這些技巧，可以對(duì)應(yīng)用性能有成倍的提高，特別是對(duì)I/O密集型的應(yīng)用，或是實(shí)際落在YoungGC上的優(yōu)化，可能效果只是幫你減少那么一點(diǎn)YoungGC的頻率。

但我認(rèn)為，優(yōu)秀程序員的價(jià)值，不在于其所掌握的幾招屠龍之術(shù)，而是在細(xì)節(jié)中見真著，就像前面說的，如果我們可以一次把事情做對(duì)，并且做好，在允許的范圍內(nèi)盡可能追求卓越，為什么不去做呢？

一、GC分代的基本假設(shè)

大部分GC算法，都將堆內(nèi)存做分代(Generation)處理，但是為什么要分代呢，又為什么不叫內(nèi)存分區(qū)、分段，而要用面向時(shí)間、年齡的“代”來表示不同的內(nèi)存區(qū)域？

GC分代的基本假設(shè)是：

絕大部分對(duì)象的生命周期都非常短暫，存活時(shí)間短。

而這些短命的對(duì)象，恰恰是GC算法需要首先關(guān)注的。所以在大部分的GC中，YoungGC（也稱作MinorGC）占了絕大部分，對(duì)于負(fù)載不高的應(yīng)用，可能跑了數(shù)個(gè)月都不會(huì)發(fā)生FullGC。

基于這個(gè)前提，在編碼過程中，我們應(yīng)該盡可能地縮短對(duì)象的生命周期。在過去，分配對(duì)象是一個(gè)比較重的操作，所以有些程序員會(huì)盡可能地減少new對(duì)象的次數(shù)，嘗試減小堆的分配開銷，減少內(nèi)存碎片。

但是，短命對(duì)象的創(chuàng)建在JVM中比我們想象的性能更好，所以，不要吝嗇new關(guān)鍵字，大膽地去new吧。

當(dāng)然前提是不做無謂的創(chuàng)建，對(duì)象創(chuàng)建的速率越高，那么GC也會(huì)越快被觸發(fā)。

結(jié)論：

分配小對(duì)象的開銷分享小，不要吝嗇去創(chuàng)建。

GC最喜歡這種小而短命的對(duì)象。

讓對(duì)象的生命周期盡可能短，例如在方法體內(nèi)創(chuàng)建，使其能盡快地在YoungGC中被回收，不會(huì)晉升(romote)到年老代(Old Generation)。

二、對(duì)象分配的優(yōu)化

基于大部分對(duì)象都是小而短命，并且不存在多線程的數(shù)據(jù)競爭。這些小對(duì)象的分配，會(huì)優(yōu)先在線程私有的 TLAB 中分配，TLAB中創(chuàng)建的對(duì)象，不存在鎖甚至是CAS的開銷。

TLAB占用的空間在Eden Generation。

當(dāng)對(duì)象比較大，TLAB的空間不足以放下，而JVM又認(rèn)為當(dāng)前線程占用的TLAB剩余空間還足夠時(shí)，就會(huì)直接在Eden Generation上分配，此時(shí)是存在并發(fā)競爭的，所以會(huì)有CAS的開銷，但也還好。

當(dāng)對(duì)象大到Eden Generation放不下時(shí)，JVM只能嘗試去Old Generation分配，這種情況需要盡可能避免，因?yàn)橐坏┰贠ld Generation分配，這個(gè)對(duì)象就只能被Old Generation的GC或是FullGC回收了。

三、不可變對(duì)象的好處

GC算法在掃描存活對(duì)象時(shí)通常需要從ROOT節(jié)點(diǎn)開始，掃描所有存活對(duì)象的引用，構(gòu)建出對(duì)象圖。

不可變對(duì)象對(duì)GC的優(yōu)化，主要體現(xiàn)在Old Generation中。

可以想象一下，如果存在Old Generation的對(duì)象引用了Young Generation的對(duì)象，那么在每次YoungGC的過程中，就必須考慮到這種情況。

Hotspot JVM為了提高YoungGC的性能，避免每次YoungGC都掃描Old Generation中的對(duì)象引用，采用了 卡表(Card Table) 的方式。

簡單來說，當(dāng)Old Generation中的對(duì)象發(fā)生對(duì)Young Generation中的對(duì)象產(chǎn)生新的引用關(guān)系或釋放引用時(shí)，都會(huì)在卡表中響應(yīng)的標(biāo)記上標(biāo)記為臟(dirty)，而YoungGC時(shí)，只需要掃描這些dirty的項(xiàng)就可以了。

可變對(duì)象對(duì)其它對(duì)象的引用關(guān)系可能會(huì)頻繁變化，并且有可能在運(yùn)行過程中持有越來越多的引用，特別是容器。這些都會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的卡表項(xiàng)被頻繁標(biāo)記為dirty。

而不可變對(duì)象的引用關(guān)系非常穩(wěn)定，在掃描卡表時(shí)就不會(huì)掃到它們對(duì)應(yīng)的項(xiàng)了。

注意，這里的不可變對(duì)象，不是指僅僅自身引用不可變的final對(duì)象，而是真正的Immutable Objects。

四、引用置為null的傳說

早期的很多Java資料中都會(huì)提到在方法體中將一個(gè)變量置為null能夠優(yōu)化GC的性能，類似下面的代碼：

List<String> list = new ArrayList<String>();  
// some code  
list = null; // help GC 

事實(shí)上這種做法對(duì)GC的幫助微乎其微，有時(shí)候反而會(huì)導(dǎo)致代碼混亂。

我記得幾年前 @rednaxelafx 在HLL VM小組中詳細(xì)論述過這個(gè)問題，原帖我沒找到，結(jié)論基本就是：

在一個(gè)非常大的方法體內(nèi)，對(duì)一個(gè)較大的對(duì)象，將其引用置為null，某種程度上可以幫助GC。

大部分情況下，這種行為都沒有任何好處。

所以，還是早點(diǎn)放棄這種“優(yōu)化”方式吧。

GC比我們想象的更聰明。

五、手動(dòng)檔的GC

在很多Java資料上都有下面兩個(gè)奇技淫巧：

通過Thread.yield()讓出CPU資源給其它線程。

通過System.gc()觸發(fā)GC。

事實(shí)上JVM從不保證這兩件事，而System.gc()在JVM啟動(dòng)參數(shù)中如果允許顯式GC，則會(huì)觸發(fā)FullGC，對(duì)于響應(yīng)敏感的應(yīng)用來說，幾乎等同于自殺。

So，讓我們牢記兩點(diǎn)：

Never use Thread.yield()。

Never use System.gc()。除非你真的需要回收Native Memory。

第二點(diǎn)有個(gè)Native Memory的例外，如果你在以下場景：

· 使用了NIO或者NIO框架（Mina/Netty）

· 使用了DirectByteBuffer分配字節(jié)緩沖區(qū)

· 使用了MappedByteBuffer做內(nèi)存映射

由于Native Memory只能通過FullGC（或是CMS GC）回收，所以除非你非常清楚這時(shí)真的有必要，否則不要輕易調(diào)用System.gc()，且行且珍惜。

另外為了防止某些框架中的System.gc調(diào)用（例如NIO框架、Java RMI），建議在啟動(dòng)參數(shù)中加上-XX:+DisableExplicitGC來禁用顯式GC。

這個(gè)參數(shù)有個(gè)巨大的坑，如果你禁用了System.gc()，那么上面的3種場景下的內(nèi)存就無法回收，可能造成OOM，如果你使用了CMS GC，那么可以用這個(gè)參數(shù)替代：-XX:+ExplicitGCInvokesConcurrent。

關(guān)于System.gc()，可以參考 @bluedavy 的幾篇文章：

· CMS GC會(huì)不會(huì)回收Direct ByteBuffer的內(nèi)存

· 說說在Java啟動(dòng)參數(shù)上我犯的錯(cuò)

· java.lang.OutOfMemoryError:Map failed

六、指定容器初始化大小

Java容器的一個(gè)特點(diǎn)就是可以動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，所以通常我們都不會(huì)去考慮初始大小的設(shè)置，不夠了反正會(huì)自動(dòng)擴(kuò)容唄。

但是擴(kuò)容不意味著沒有代價(jià)，甚至是很高的代價(jià)。

例如一些基于數(shù)組的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，例如StringBuilder、StringBuffer、ArrayList、HashMap等等，在擴(kuò)容的時(shí)候都需要做ArrayCopy，對(duì)于不斷增長的結(jié)構(gòu)來說，經(jīng)過若干次擴(kuò)容，會(huì)存在大量無用的老數(shù)組，而回收這些數(shù)組的壓力，全都會(huì)加在GC身上。

這些容器的構(gòu)造函數(shù)中通常都有一個(gè)可以指定大小的參數(shù)，如果對(duì)于某些大小可以預(yù)估的容器，建議加上這個(gè)參數(shù)。

可是因?yàn)槿萜鞯臄U(kuò)容并不是等到容器滿了才擴(kuò)容，而是有一定的比例，例如HashMap的擴(kuò)容閾值和負(fù)載因子(loadFactor)相關(guān)。

Google Guava框架對(duì)于容器的初始容量提供了非常便捷的工具方法，例如：

Lists.newArrayListWithCapacity(initialArraySize);  
 
Lists.newArrayListWithExpectedSize(estimatedSize);  
 
Sets.newHashSetWithExpectedSize(expectedSize);  
 
Maps.newHashMapWithExpectedSize(expectedSize); 

這樣我們只要傳入預(yù)估的大小即可，容量的計(jì)算就交給Guava來做吧。

反例：

如果采用默認(rèn)無參構(gòu)造函數(shù)，創(chuàng)建一個(gè)ArrayList，不斷增加元素直到OOM，那么在此過程中會(huì)導(dǎo)致：

多次數(shù)組擴(kuò)容，重新分配更大空間的數(shù)組

多次數(shù)組拷貝

內(nèi)存碎片

七、對(duì)象池

為了減少對(duì)象分配開銷，提高性能，可能有人會(huì)采取對(duì)象池的方式來緩存對(duì)象集合，作為復(fù)用的手段。

但是對(duì)象池中的對(duì)象由于在運(yùn)行期長期存活，大部分會(huì)晉升到Old Generation，因此無法通過YoungGC回收。

并且通常……沒有什么效果。

對(duì)于對(duì)象本身：

如果對(duì)象很小，那么分配的開銷本來就小，對(duì)象池只會(huì)增加代碼復(fù)雜度。

如果對(duì)象比較大，那么晉升到Old Generation后，對(duì)GC的壓力就更大了。

從線程安全的角度考慮，通常池都是會(huì)被并發(fā)訪問的，那么你就需要處理好同步的問題，這又是一個(gè)大坑，并且同步帶來的開銷，未必比你重新創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象小。

對(duì)于對(duì)象池，唯一合適的場景就是當(dāng)池中的每個(gè)對(duì)象的創(chuàng)建開銷很大時(shí)，緩存復(fù)用才有意義，例如每次new都會(huì)創(chuàng)建一個(gè)連接，或是依賴一次RPC。

比如說：

· 線程池

· 數(shù)據(jù)庫連接池

· TCP連接池

即使你真的需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)對(duì)象池，也請(qǐng)使用成熟的開源框架，例如Apache Commons Pool。

另外，使用JDK的ThreadPoolExecutor作為線程池，不要重復(fù)造輪子，除非當(dāng)你看過AQS的源碼后認(rèn)為你可以寫得比Doug Lea更好。

八、對(duì)象作用域

盡可能縮小對(duì)象的作用域，即生命周期。

如果可以在方法內(nèi)聲明的局部變量，就不要聲明為實(shí)例變量。

除非你的對(duì)象是單例的或不變的，否則盡可能少地聲明static變量。

九、各類引用

java.lang.ref.Reference有幾個(gè)子類，用于處理和GC相關(guān)的引用。JVM的引用類型簡單來說有幾種：

· Strong Reference，最常見的引用

· Weak Reference，當(dāng)沒有指向它的強(qiáng)引用時(shí)會(huì)被GC回收

· Soft Reference，只當(dāng)臨近OOM時(shí)才會(huì)被GC回收

· Phantom Reference，主要用于識(shí)別對(duì)象被GC的時(shí)機(jī)，通常用于做一些清理工作

當(dāng)你需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)緩存時(shí)，可以考慮優(yōu)先使用WeakHashMap，而不是HashMap，當(dāng)然，更好的選擇是使用框架，例如Guava Cache。

***，再次提醒，以上的這些未必可以對(duì)代碼有多少性能上的提升，但是熟悉這些方法，是為了幫助我們寫出更卓越的代碼，和GC更好地合作。

原文鏈接：http://blog.hesey.net/2014/05/gc-oriented-java-programming.html