java finalize方法總結、GC執行finalize的過程

idaretobe發表於2015-01-14
JavaGC

注：本文的目的並不是鼓勵使用finalize方法，而是大致理清其作用、問題以及GC執行finalize的過程。

1. finalize的作用

  • finalize()是Object的protected方法，子類可以覆蓋該方法以實現資源清理工作，GC在回收物件之前呼叫該方法。
  • finalize()與C++中的解構函式不是對應的。C++中的解構函式呼叫的時機是確定的（物件離開作用域或delete掉），但Java中的finalize的呼叫具有不確定性
  • 不建議用finalize方法完成“非記憶體資源”的清理工作，但建議用於：① 清理本地物件(通過JNI建立的物件)；② 作為確保某些非記憶體資源(如Socket、檔案等)釋放的一個補充：在finalize方法中顯式呼叫其他資源釋放方法。其原因可見下文[finalize的問題]

2. finalize的問題

  • 一些與finalize相關的方法，由於一些致命的缺陷，已經被廢棄了，如System.runFinalizersOnExit()方法、Runtime.runFinalizersOnExit()方法
  • System.gc()與System.runFinalization()方法增加了finalize方法執行的機會，但不可盲目依賴它們
  • Java語言規範並不保證finalize方法會被及時地執行、而且根本不會保證它們會被執行
  • finalize方法可能會帶來效能問題。因為JVM通常在單獨的低優先順序執行緒中完成finalize的執行
  • 物件再生問題：finalize方法中，可將待回收物件賦值給GC Roots可達的物件引用，從而達到物件再生的目的
  • finalize方法至多由GC執行一次(使用者當然可以手動呼叫物件的finalize方法，但並不影響GC對finalize的行為)

3. finalize的執行過程(生命週期)


(1) 首先，大致描述一下finalize流程：當物件變成(GC Roots)不可達時，GC會判斷該物件是否覆蓋了finalize方法，若未覆蓋，則直接將其回收。否則，若物件未執行過finalize方法，將其放入F-Queue佇列，由一低優先順序執行緒執行該佇列中物件的finalize方法。執行finalize方法完畢後，GC會再次判斷該物件是否可達，若不可達，則進行回收，否則，物件“復活”。
(2) 具體的finalize流程：
物件可由兩種狀態，涉及到兩類狀態空間，一是終結狀態空間 F = {unfinalized, finalizable, finalized}；二是可達狀態空間 R = {reachable, finalizer-reachable, unreachable}。各狀態含義如下：
  • unfinalized: 新建物件會先進入此狀態，GC並未準備執行其finalize方法，因為該物件是可達的
  • finalizable: 表示GC可對該物件執行finalize方法，GC已檢測到該物件不可達。正如前面所述，GC通過F-Queue佇列和一專用執行緒完成finalize的執行
  • finalized: 表示GC已經對該物件執行過finalize方法
  • reachable: 表示GC Roots引用可達
  • finalizer-reachable(f-reachable)：表示不是reachable，但可通過某個finalizable物件可達
  • unreachable：物件不可通過上面兩種途徑可達
狀態變遷圖：

變遷說明：
  1. 新建物件首先處於[reachable, unfinalized]狀態(A)
  2. 隨著程式的執行，一些引用關係會消失，導致狀態變遷，從reachable狀態變遷到f-reachable(B, C, D)或unreachable(E, F)狀態
  3. 若JVM檢測到處於unfinalized狀態的物件變成f-reachable或unreachable，JVM會將其標記為finalizable狀態(G,H)。若物件原處於[unreachable, unfinalized]狀態，則同時將其標記為f-reachable(H)。
  4. 在某個時刻，JVM取出某個finalizable物件，將其標記為finalized並在某個執行緒中執行其finalize方法。由於是在活動執行緒中引用了該物件，該物件將變遷到(reachable, finalized)狀態(K或J)。該動作將影響某些其他物件從f-reachable狀態重新回到reachable狀態(L, M, N)
  5. 處於finalizable狀態的物件不能同時是unreahable的，由第4點可知，將物件finalizable物件標記為finalized時會由某個執行緒執行該物件的finalize方法，致使其變成reachable。這也是圖中只有八個狀態點的原因
  6. 程式設計師手動呼叫finalize方法並不會影響到上述內部標記的變化，因此JVM只會至多呼叫finalize一次，即使該物件“復活”也是如此。程式設計師手動呼叫多少次不影響JVM的行為
  7. 若JVM檢測到finalized狀態的物件變成unreachable，回收其記憶體(I)
  8. 若物件並未覆蓋finalize方法，JVM會進行優化，直接回收物件（O）
  9. 注：System.runFinalizersOnExit()等方法可以使物件即使處於reachable狀態，JVM仍對其執行finalize方法

4. 一些程式碼示例


(1) 物件復活

[java] view plaincopy
  1. public class GC {  
  2.   
  3.     public static GC SAVE_HOOK = null;  
  4.   
  5.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
  6.         SAVE_HOOK = new GC();  
  7.         SAVE_HOOK = null;  
  8.         System.gc();  
  9.         Thread.sleep(500);  
  10.         if (null != SAVE_HOOK) { //此時物件應該處於(reachable, finalized)狀態  
  11.             System.out.println("Yes , I am still alive");  
  12.         } else {  
  13.             System.out.println("No , I am dead");  
  14.         }  
  15.         SAVE_HOOK = null;  
  16.         System.gc();  
  17.         Thread.sleep(500);  
  18.         if (null != SAVE_HOOK) {  
  19.             System.out.println("Yes , I am still alive");  
  20.         } else {  
  21.             System.out.println("No , I am dead");  
  22.         }  
  23.     }  
  24.   
  25.     @Override  
  26.     protected void finalize() throws Throwable {  
  27.         super.finalize();  
  28.         System.out.println("execute method finalize()");  
  29.         SAVE_HOOK = this;  
  30.     }  
  31. }  

(2)覆蓋finalize方法以確保資源釋放

作為一個補充操作，以防使用者忘記“關閉“資源，JDK中FileInputStream、FileOutputStream、Connection類均用了此”技術“，下面程式碼摘自FileInputStream類

[java] view plaincopy
  1. /** 
  2.  * Ensures that the <code>close</code> method of this file input stream is 
  3.  * called when there are no more references to it. 
  4.  * 
  5.  * @exception  IOException  if an I/O error occurs. 
  6.  * @see        java.io.FileInputStream#close() 
  7.  */  
  8. protected void finalize() throws IOException {  
  9.     if ((fd != null) &&  (fd != FileDescriptor.in)) {  
  10.         /* if fd is shared, the references in FileDescriptor 
  11.          * will ensure that finalizer is only called when 
  12.          * safe to do so. All references using the fd have 
  13.          * become unreachable. We can call close() 
  14.          */  
  15.         close();  
  16.     }  
  17. }  

參考：

12.6 Finalization of Class Instances https://notendur.hi.is//~snorri/SDK-docs/lang/lang083.htm
何時及如何使用finalize 

從以上的分析得出，以下結論。 
1 最重要的，儘量不要用finalize，太複雜了，還是讓系統照管比較好。可以定義其它的方法來釋放非記憶體資源。 
2 如果用，儘量簡單。 
3 如果用，避免物件再生，這個是自己給自己找麻煩。 
4 可以用來保護非記憶體資源被釋放。即使我們定義了其它的方法來釋放非記憶體資源，但是其它人未必會呼叫該方法來釋放。在finalize裡面可以檢查一下，如果沒有釋放就釋放好了，晚釋放總比不釋放好。 
5 即使物件的finalize已經執行了，不能保證該物件被銷燬。要實現一些保證物件徹底被銷燬時的動作，只能依賴於java.lang.ref裡面的類和GC互動了。 

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