摘 要：由Java语言与C/C++对象在内存管理方式的不同，引出了Java语言的优势技术——垃圾处理技术。通过对GC工作原理的阐述及对一些传统的垃圾收集器的分析，提出了一种新的垃圾处理算法，一定程度上改善和提高了Java垃圾处理的性能。
关键词：Java; GC;垃圾回收; 收集器

Java从诞生以来以其在网络应用开发上独特的魅力以及“一次开发，随处运行”的可移植性引起了人们极大的兴趣。Java与以往的高级语言如C/C++相比，在开发方面具有很大的优势，其中以对象内存管理机制中的垃圾处理机制(GC)最为突出。
1 C/C++与Java对象内存管理差别
C/C++将内存划分成四部分：数据区、代码区、栈区、堆区。Java则把内存划分成三部分即代码区、栈区、堆区，代码区主要用于存放程序的代码，栈区主要用于存放局部变量、内部变量等中间性变量，堆区主要用来存放对象。
C/C++中的对象内存管理是通过语句new（）/delete（）或malloc（）/free（）进行申请和释放的。用new（）或malloc（）申请内存后，若不使用delete（）或free（）进行释放，则所申请的内存一直被占用，即使不使用也不能自动释放，必须人为释放，导致编程工作很繁琐。
Java中的对象内存管理则改进了对内存的释放过程，使用new（）或其他方法申请的内存在不使用时，可以自动进行垃圾处理，释放内存，从而节省内存，使内存的使用更加高效、合理。
Java中可以通过三种方法来销毁对象实现内存释放，这三种方法被称为Java销毁对象的三把利剑：垃圾回收器；finalize方法；利用System.gc方法强制启动垃圾回收器。
垃圾回收是一种动态存储管理技术，它自动地释放不再被程序引用的对象，按照特定的垃圾收集算法实现资源自动回收的功能系统，会自动进行GC策略。
2 GC概述
Java垃圾处理主要是针对堆的管理，对堆中不使用的空间进行回收处理。判断一个对象的内存空间是否无用的标准是：如果该对象不能再被程序中任何一个“活动的部分”所引用，此时该对象的内存空间已经无用。所谓“活动的部分”，是指程序中某部分参与程序的调用，正在执行过程中，尚未执行完毕。
具体以下两例予以说明：
　实例1：
　int [][]matrix=new int [2][3];
　matrix=null;
　此例中，第一句是用new语句在堆中为数组申请了一个空间，然后用matrix来引用此空间的对象（这里数组可以理解为对象），此时这个内存空间就是有用的。第二句是给matrix赋空值，matrix则不再引用此数组。此时，这个空间就是无用的。
　实例2：
　int [][] m1=new int[2][3];
　int [][] m2=new int[2][3];
　m1=m2;
　此例中，第一句是用new语句在堆中为数组申请了一个空间，用m1引用这个数组。第二句是用new语句在堆中为数组申请了一个空间，用m2引用这个数组。第三句是改变引用对象，把m2的引用赋给m1，则此时m1也引用m2引用的对象数组，因此，m1原来引用的数组无人引用，成为垃圾。
3 传统收集器简介
Java依托于垃圾收集GC机制，可以自动回收垃圾即释放堆空间，让其他对象可以使用此部分空间。而采用了某种 GC 算法的收集器(Collector)称之为某某垃圾收集器(Garbage Collector)。目前 Java中采用的垃圾收集器一般包括：引用计数法(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 引用计数法
引用计数法是唯一没有使用根集的垃圾回收的方法，该算法使用引用计数器来区分存活对象和不再使用的对象。一般来说，堆中的每个对象对应一个引用计数器。当每一次创建一个对象并赋给一个变量时，引用计数器置为1。当对象被赋给任意变量时，引用计数器每次加1，当对象出了作用域后(该对象丢弃不再使用)，引用计数器减1，一旦引用计数器为0，对象就满足了垃圾收集的条件。
基于引用计数器的垃圾收集器运行较快，不会长时间中断程序执行，必须适宜地实时运行的程序。但引用计数器增加了程序执行的开销，因为每次对象赋给新的变量，计数器加1，而每次现有对象出了作用域，计数器减1。
3.2 Tracing算法
Tracing算法是为了解决引用计数法的问题而提出，它使用了根集的概念。基于Tracing算法的垃圾收集器从根集开始扫描，识别出哪些对象可达，哪些对象不可达，并用某种方式标记可达对象，例如对每个可达对象设置一个或多个位。在扫描识别过程中，基于Tracing算法的垃圾收集也称为标记和清除(mark-and-sweep)垃圾收集器。
3.3 Compacting算法
为了解决堆碎片问题，基于tracing的垃圾回收吸收了Compacting算法的思想，在清除的过程中，算法将所有对象移到堆的一端，堆的另一端就变成了一个相邻的空闲内存区，收集器会对它移动的所有对象的所有引用进行更新，使得这些引用在新的位置能识别原来 的对象。在基于Compacting算法的收集器的实现中，一般增加句柄和句柄表。
3.4 Coping算法
Coping算法的提出是为了克服句柄的开销和解决堆碎片的垃圾回收。它开始时把堆分成一个对象面和多个空闲面， 程序从对象面为对象分配空间，当对象满了，基于Coping算法的垃圾收集就从根集中扫描活动对象，并将每个活动对象复制到空闲面(使得活动对象所占的内存之间没有空闲洞)，这样空闲面变成了对象面，原来的对象面变成了空闲面，程序会在新的对象面中分配内存。
一种典型的基于Coping算法的垃圾回收是stop-and-copy算法，它将堆分成对象面和空闲区域面，在对象面与空闲区域面的切换过程中，程序暂停执行。
3.5 Generation算法
stop-and-copy垃圾收集器的一个缺陷是收集器必须复制所有的活动对象，这增加了程序等待时间，这是Coping算法低效的原因。在程序设计中有这样的规律：多数对象存在的时间比较短，少数的存在时间比较长。因此，Generation算法将堆分成两个或多个，每个子堆作为对象的一代(Generation)。由于多数对象存在的时间比较短，随着程序丢弃不使用的对象，垃圾收集器将从最年轻的子堆中收集这些对象。在分代式的垃圾收集器运行后，上次运行存活下来的对象移到下一最高代的子堆中，由于老一代的子堆不会经常被回收，因而节省了时间。
3.6 Adaptive算法
在特定的情况下，一些垃圾收集算法会优于其他算法。基于Adaptive算法的垃圾收集器就是监控当前堆的使用情况，并将选择适当算法的垃圾收集器。
4 GC新算法概述
　　基于上述对几种收集器算法优缺点的对比分析，提出一种既可以满足程序对实时性的要求，同时也能避免内存泄漏的较完全的垃圾处理算法。
4.1算法描述
4.1.1内存划分
(1)把一个堆内存划分成两大块，一块是活跃区,占堆大小的2/3，活跃区划分成大小相同的8个块，并且为每个块设置一个计数器int cnt[x](x取1~8)，用来记录每块内存中动态分配的被引用对象总数。另一块是保留区,占堆大小的1/3，设置两个常数min和max，分别用来表示保留区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的值可以自行设置但最大值不超过堆大小的1/3）。
(2)为堆中的每个对象设置一个标记位(标记位放在一个专用数组cnt[x](x取1~8)中)以表示其是否被引用，在对象被引用时计数器就开始动态地统计计数，记录本块中被引用的对象个数。
(3)通过比较计数器值的大小来判断应该扫描哪个块，而不是利用搜索所有对象的方法。具体结构如图1。

4.1.2具体算法
(1)程序开始运行，对象动态地申请堆区，这时，每个块的计数器启动，根据引用对象的标记位情况来改变计数器的值，为1则计数器加1，8个计数器值放在数组里，并比较8个计数器值的大小，选取最大的计数器所在块，进行扫描。
(2)扫描出的垃圾转移到删除区，等待被删除。
(3)继续比较计数器值,但已经进行扫描的块不参加此后的比较，待删除的垃圾占的空间达到min值时，垃圾器开始对活跃区压缩内存碎片，并且在删除区同时开始进行垃圾删除申请。
(4)当删除区的空间达到了max值时，删除区的垃圾还没有被删除，这时停止活跃区的扫描，等待删除区进行垃圾删除。
4.2 实例分析
　 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语句在堆中为数组申请了一个空间，然后用matrix引用此空间的对象（这里数组可以理解为对象），此时这个内存空间就是有用的。第二句是给matrix赋空值，matrix则不再引用此数组。此时，这个空间就是无用的。
　对于原来的算法，m1引用的数组在堆中是随机存放的，若要查找垃圾，则会遍历整个堆内存，先标记，然后再清理垃圾。设耗费时间为Ta。
　m1引用的数组在堆中是随机存放的，所以假设其放在活跃区中的cnt[x]区（x取值为0~7之一），下面分两种情况来考虑：
(1)最好的情况，m1原来引用的数组放在cnt1中为数组cnt[x]中最大的数，则查找到这个垃圾的时间为: T8+cnt[x]。

由此可以节省7Ta/16的时间。此新算法可以大大减少垃圾处理所需的时间。
Java语言对垃圾的处理是利用Java的垃圾处理器自动进行的，JVM虽然没有明确程序员必须了解垃圾处理器的过程和实质，但是,一个优秀的Java程序员应该掌握和熟悉垃圾处理器的工作机制，充分利用好内存空间，减少不必要的空间浪费，从而使程序更好地运行。

参考文献
[1] 邓洋春,梁昔明. Java无用单元回收方式与性能分析[J].现代计算机(专业版), 2009(01)：114-116.
[2] JONES R, LINES R.垃圾收集[M].谢之易，译.北京：人民邮电出版社，2004.
[3] 贾晓霞,吴际,金茂忠,等.Java程序内存泄漏综述[J].计算机应用研究,2006,23(09):1-3.
[4] SIERRA K. Java 2学习指南[ISBN]978-7-115-11803-5.2004(1).
[5] 欧阳辰,周欣.垃圾收集器与Java编程.http://www.ibm.com/developerworks/cn/java/l-JavaMemory
Leak2/2002.11.16.