一種針對Java中字符串的內(nèi)存管理方案

彭文

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230027)

Java[1]語言為字符串操作提供了豐富的支持，它將字符串封裝在三個類中并提供多種字符串操作接口。在Java應(yīng)用程序中，由于對字符串的使用量比較高，從而使得其需要消耗較大的堆空間。例如在J2EE應(yīng)用服務(wù)器運(yùn)行過程中，約40%的活躍堆空間被用來保存字符串?dāng)?shù)據(jù)[2]。

通過對Java中字符串操作接口的分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著這些操作的運(yùn)行會產(chǎn)生較多的無用字符串，它們不再被Java類封裝并且也不被任何變量引用。這些無用字符串?dāng)?shù)據(jù)將一直停留在活躍堆中，直到Java虛擬機(jī)啟動垃圾收集將其回收。而由于字符串?dāng)?shù)據(jù)具有單個對象占用空間較小但總體數(shù)量很大的特征，大量的無用字符串?dāng)?shù)據(jù)不僅會影響堆空間的利用率，并且對Java虛擬機(jī)垃圾收集的性能有較大影響。

當(dāng)前對Java中字符串的內(nèi)存管理優(yōu)化方案主要關(guān)注于字符串的使用效率上，如消除常量重復(fù)、延遲分配等技術(shù)[2]，通過修改Java虛擬機(jī)對字符串分配回收的支持來提高堆中字符串的使用效率。然而這些方案無法處理堆中已經(jīng)成為無用字符串的數(shù)據(jù)，只能等待垃圾收集來處理。

近期編譯時的獨(dú)立對象回收策略[3]則專注于在編譯階段對應(yīng)用程序做分析并插入回收指令以回收無用對象空間，但是該方案對Java庫函數(shù)只做保守分析從而無法回收這些無用字符串。為此，本文從對字符串操作接口的分析出發(fā)，識別各類操作對字符串的改變情況以利用獨(dú)立對象回收策略中的指令插樁技術(shù)來主動回收無用字符串對象，以提高堆空間的利用率、減低垃圾回收的負(fù)擔(dān)、改善Java虛擬機(jī)的性能。

1 Java中字符串的支持與分析

1.1 Java中字符串的支持

Java語言將字符串的表示和操作都封裝在StringBuilder、StringBuffer和String三個類中。其中前兩個類指向的字符串是可變的，String類指向的字符串是不變的。這三個類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本上一致，以StringBuilder為例，StringBuilder在Java中的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1可以看出，字符串?dāng)?shù)據(jù)由StringBuilder對象指向的value域保存，在內(nèi)存空間上反映為兩個對象：StringBuilder對象通過value域指向字符串對象。由于該類提供常用的可變字符串操作接口且相對另一個類StringBuffer具有較高的執(zhí)行效率，對字符串?dāng)?shù)據(jù)的操作在Java虛擬機(jī)中一般會將其轉(zhuǎn)換為StringBuilder對象再做處理。下面以一個語句示例來說明這一點：

圖1 StringBuilder的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

該語句的語義是將三個字符串連接在一起并生成一個String對象，在Java語言的源程序級別上不會出現(xiàn)StringBuilder對象，但是經(jīng)過編譯器優(yōu)化之后，這條語句實際被翻譯為下面的字節(jié)碼形式(為簡化描述，本文以源語言來表示字節(jié)碼的操作)：

即Java編譯器會首先創(chuàng)建一個StringBuilder對象，完成字符串的連接工作之后再將其轉(zhuǎn)變?yōu)镾tring對象。由于類似于這種情況的字符串操作較多地出現(xiàn)在輸出方法和字符串創(chuàng)建方法中，所以可推斷出StringBuilder有著較大的使用頻率，故將以其為代表分析其提供的接口對字符串的影響。

1.2 無用字符串的產(chǎn)生

在上節(jié)的示例中，StringBuilder類提供的append()接口將會改變value域所指向的字符串，其做法是：新建長度為連接后字符串長度之和的字符數(shù)組，分段復(fù)制之后使其成為value域指向的新數(shù)組，而value域指向的原數(shù)組將被丟棄成為無用字符串。

圖2為示例語句中append()接口引起的value域指向字符串變化圖。

圖2 append()對字符數(shù)組操作示例

從圖2可以看出，在append()接口執(zhí)行過后，對象的字符數(shù)組將指向新建的字符串’aabb’，原有字符串’aa’將不被任何變量指向而成為無用字符串。

由于StringBuilder類的value域指向的字符串是可變的，在其提供的接口中存在大量類似append()可能對value域做出改變的接口，如 insert()、replace()等。而在Java虛擬機(jī)對這些接口的調(diào)用頻率較多，表1是基準(zhǔn)測試程序Jolden[4]的4個子程序中字符串操作接口調(diào)用次數(shù)以及可能對value域做出改變的接口調(diào)用次數(shù)對比。

表1 字符串操作接口調(diào)用次數(shù)統(tǒng)計

由表1可以看出，可能對value域做出改變的調(diào)用次數(shù)占字符串操作接口調(diào)用次數(shù)的22.6%～45.7%，占有不可忽視的比例。下面將深入分析這些可能改變value域的操作接口的具體實現(xiàn)。

1.3 字符串操作接口分析

可能對value域做出改變的操作接口有一個共同點，即this對象不會發(fā)生變化，只是其value域指向一個新建的字符串。對字符串的操作接口做深入分析后可知，在append()等可能改變value域指向的操作接口的實現(xiàn)中，存在兩條改變分支：例如在接口append(s)中，如果s為null或者s的value域指向一個空字符串，則該接口不會改變this對象的value域指向；否則才會新建一個字符串以被this對象的value域指向。

可以將這兩條改變分支表現(xiàn)為下面的形式：

分支1：不做任何改變。

分支 2：新建字符串，使其被 this對象的 value域指向，原有字符串成為無用字符串。

下面將給出根據(jù)本節(jié)的分析給出的無用字符串回收方案。

2 字符串的回收方案

對無用字符串的回收存在兩個難點：(1)不可深入改變Java的庫函數(shù)實現(xiàn)。因為回收方案需要具有較強(qiáng)的通用性和靈活性；(2)由于操作接口具體實現(xiàn)中對value域的改變存在分支，并且只能在應(yīng)用程序的運(yùn)行階段判斷究竟執(zhí)行的是哪個分支。

本文采用獨(dú)立對象顯式回收策略中的指令插樁技術(shù)來解決上述兩個難題：在可能發(fā)生改變的字符串操作接口調(diào)用點處插入判定語句來對操作接口執(zhí)行的分支做判斷，然后根據(jù)結(jié)果來實施字符串的回收方案。由于這些語句都插樁在用戶程序中，不會改變Java庫函數(shù)的實現(xiàn)，而且這些語句會隨著字符串操作接口的執(zhí)行而執(zhí)行，所收集的信息屬于運(yùn)行時信息，故可以很好地判斷運(yùn)行時分支的情況。

由于兩條分支的不同之處表現(xiàn)為操作接口執(zhí)行完畢之后，this對象的value域指向是否發(fā)生了變化，故可以采取接口調(diào)用前后value域比較的方式來判斷具體執(zhí)行的分支。本文使用指令插樁技術(shù)，在Java虛擬機(jī)重編譯Java字節(jié)碼時對其做指令插樁工作，其處理流程為：

(1)在Java虛擬機(jī)處理應(yīng)用程序指令時判斷其是否為可能引起字符串變化的操作接口調(diào)用指令。

(2)如果是則實施步驟(3)～(5)的指令插樁工作。

(3)在調(diào)用指令之前插入this對象的value域引用保存指令。

(4)在調(diào)用指令之后插入this對象的value域引用保存指令。

(5)安插兩個引用的對比指令，如果不同，則插入回收指令以回收調(diào)用之前保存的引用；否則將不做處理。

本方案用到了獨(dú)立對象回收技術(shù)中的回收指令，需要在Java虛擬機(jī)的內(nèi)存管理模塊支持這個回收指令。由于對回收指令的支持對原有的分配和回收方案影響很小，故其實現(xiàn)較簡單并且具有一定的通用性。

以圖3為例來說明本文的字符串回收方案。由于該方案處理的為Java字節(jié)碼，為了方便理解，將以實際代碼的形式體現(xiàn)：由圖3可看出，在調(diào)用點前后加入了value域引用保存指令記錄了調(diào)用點執(zhí)行前后的value域的引用信息，然后將兩者做對比處理來判斷調(diào)用點是否對value域的引用做出了改變，如果引用信息有了變化，則之前的value域引用成為了無用字符串，可以插入回收指令將其回收。

圖3 無用字符串回收示例

可以將該無用字符串回收方案應(yīng)用到其他可能對對象內(nèi)部value域指向的字符串做出改變的接口調(diào)用點，即可以在運(yùn)行時回收由這些接口運(yùn)行而出現(xiàn)的無用字符串?dāng)?shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果及分析

在Apache的開源Java SE(Standard Edition)平臺Harmony[5]上實現(xiàn)了針對字符串的回收方案，并做了相關(guān)的實驗測試。測試平臺的操作系統(tǒng)是Windows 7 Ultimate，CPU為 Intel Pentium Dual E2200，主頻為 2.2 GHz，內(nèi)存為2 GB。測試用例為Jolden中的4個基準(zhǔn)程序。

在實現(xiàn)了無用字符串的顯式回收之后，可以在運(yùn)行中主動回收一些無用字符串以提高活躍堆空間的利用率和降低Java虛擬機(jī)垃圾回收的開銷。表2給出了主動回收的無用字符串大小和總分配大小的比較情況。

由表2可以看出，本文的回收方案主動回收的無用字符串占應(yīng)用程序總分配空間的5%～18%，對堆空間的利用率有較大的提升。對無用字符串的主動回收也帶來了Java虛擬機(jī)的性能提升，因為可以減輕垃圾收集的負(fù)擔(dān)。表3給出了實現(xiàn)無用字符串回收方案前后測試程序在Java虛擬機(jī)中的執(zhí)行時間對比。

表2 無用字符串主動回收統(tǒng)計

表3 無用字符串主動回收統(tǒng)計

由表3可以看出，經(jīng)過對無用字符串的主動回收處理，Java虛擬機(jī)對應(yīng)用程序的執(zhí)行效率也有了改善，分別減少了1%～5%。這說明無用字符串的回收可以提升Java虛擬機(jī)的性能。

本文提出一種對Java應(yīng)用程序中無用字符串進(jìn)行顯式回收的方案，以指令插樁的形式收集應(yīng)用程序運(yùn)行時信息并主動回收堆中無用字符串，以提高堆空間的利用率。實驗結(jié)果表明，該方案可以有效提高Java虛擬機(jī)的性能和Java應(yīng)用程序的執(zhí)行效率。

[1]The Java language specification.http：//java.sun.com/docs/books/jls/third_edition/html/j3TOC.html.2011.

[2]KAWACHIYA K，OGATA K，ONODERA T.2008 Analysis and reduction of memory inefficiencies in Java strings[C].In Proceedingsofthe23rd ACM SIGPLAN Conferenceon Object-oriented Programming Systems Languages and Applications， Nashville， TN， USA， 2008：385-402.

[3]SAMUEL Z，GUYER F M：A static analysis for automatic individual object reclamation[C].Proceedings of the 2006 ACM SIGPLAN Conference on programming language design and implementation， 2006： 264-375.

[4]CAHOON B，MCKINLEY K S.Jolden Benchmarks[CP/DK].ftp：//ftp.cs.umass.edu/pub/osl/benchmarks/jolden.tar.gz.2002.

[5]Apache software foundation.Harmony-Open Source Java SE implementation.http：//harmony.apache.org/index.html.2003-2009.