【Java技術專題】「原理專題」深入分析Java中finalize方法的作用和底層原理

洛神灬殤發表於2022-12-29
Java

finalize方法是什麼

finalize方法是Object的protected方法，Object的子類們可以覆蓋該方法以實現資源清理工作，GC在首次回收物件之前呼叫該方法。

finalize方法與C++的解構函式的區別

finalize方法與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。

finalize方法合適清理的物件

  1. 清理本地物件(透過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。

可以觸發finalize執行的方法

在Java中含有一些一些與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。

他們增加了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。

finalize實現物件再生問題

finalize方法的實現中，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)。

finalize的執行過程(生命週期)

  1. 大致描述一下finalize的執行流程：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。

  2. 若物件未執行過finalize方法，將其放入F-Queue佇列，由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”。

物件對於finalize方法的兩種狀態

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}。

終結狀態空間

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透過F-Queue佇列和一專用執行緒完成finalize的執行。

對應的流程圖如下所示：

可達狀態空間

各狀態含義如下：

  • 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，但可透過某個finalizable物件可達
  • unreachable：物件不可透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. 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)。

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。

  1. 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)處於finalizable狀態的物件不能同時是unreahable的。

  2. 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。

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

程式碼示例

物件復活

public class GC {  
	public static GC SAVE_HOOK = null;    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
        SAVE_HOOK = new GC();  
        SAVE_HOOK = null;  
        System.gc();  
        Thread.sleep(500);  
        if (null != SAVE_HOOK) { //此時物件應該處於(reachable, finalized)狀態  
            System.out.println("Yes , I am still alive");  
        } else {  
            System.out.println("No , I am dead");  
        }  
        SAVE_HOOK = null;  
        System.gc();  
        Thread.sleep(500);  
        if (null != SAVE_HOOK) {  
            System.out.println("Yes , I am still alive");  
        } else {  
            System.out.println("No , I am dead");  
        }  
    }  
  
    @Override  
    protected void finalize() throws Throwable {  
        super.finalize();  
        System.out.println("execute method finalize()");  
        SAVE_HOOK = this;  
    }  
}

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

/** 
 * Ensures that the <code>close</code> method of this file input stream is 
 * called when there are no more references to it. 
 * 
 * @exception  IOException  if an I/O error occurs. 
 * @see        java.io.FileInputStream#close() 
 */  
protected void finalize() throws IOException {  
    if ((fd != null) &&  (fd != FileDescriptor.in)) {  
        /* if fd is shared, the references in FileDescriptor 
         * will ensure that finalizer is only called when 
         * safe to do so. All references using the fd have 
         * become unreachable. We can call close() 
         */
        close();
    }
}

注意：我們自己手動呼叫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。我們手動呼叫多少次不影響JVM的行為
若JVM檢測到finalized狀態的物件變成unreachable，回收其記憶體(I)，若物件並未覆蓋finalize方法，JVM會進行最佳化，直接回收物件（O）

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