23 | 怎么减少内存使用，减轻内存管理负担？

管理内存，不管是什么编程语言，向来都是一个难题。Java 语言能够长期领先的一个重要原因，就是它拥有强大的内存管理能力，并且这种能力还在不断地进化。然而，只依靠 Java 内在的内存管理能力，是远远不够的。

2018 年 9 月，亚马逊向 OpenJDK 社区提交了一个改进请求。这个改进涉及到一个问题，如果一个服务的缓存数量巨大，比如说有 10 万个连接会话，Java 的垃圾处理器要停滞几分钟，才能清理完这么巨大的缓存。而这几分钟的停滞，是不可忍受的事故。

这是一个值得我们关注的细节。缓存的本意，就是为了提高效率。然而，拥有过多的用户，过多的缓存，反而会让效率变低。

随着大数据、云计算以及物联网的不断演进，很多技术都面临着巨大的挑战。七八年前（2010 年左右），能解决 C10K（同时处理 1 万个用户连接）问题，感觉就可以高枕无忧了。现在有不少应用，需要开始考虑 C10M（同时处理 1 千万个用户连接）问题，甚至是更多的用户连接，以便满足用户需求。很多以前不用担心的问题，也会冒出来算旧账。

要想让内存使用得更有效率，我们还需要掌握一些成熟的实践经验。

使用更少的内存

提高内存使用最有效率的办法，就是使用更少的内存。这听起来像是废话，却也是最简单直接、最有用的办法。减少内存的使用，意味着更少的内存分配、更少的内存填充、更少的内存释放、更轻量的垃圾回收。内存的使用减少一倍，代码的效率会成倍地提升，这不是简单的线性关系。

减少内存的使用，办法有且只有两个。第一个办法是减少实例的数量。第二个办法是减小实例的尺寸。

减少实例数量

还记得以前我们用到的，在不同的语言环境下，该怎么打招呼的代码吗？上一次，我们把它改成了不可变的类，避免了线程同步的问题。我把这段代码重新抄录在下面。

这段代码还有个问题，就是内存使用不够友好。对于汉语环境来说，打招呼用“你好”。如果使用上面的设计，那么每次使用汉语环境，调用构造方法，都产生一个不同的实例对象。

如果只实例化一次，当然没有什么问题。如果要实例化 10 次，100 次，1000 次，10000 次，而且每个实例都是固定的汉语加“你好”，这就是很大的浪费了。内存的使用，随着实例的数量线性增长，100 个实例，就要使用 100 倍的内存。即便实例的产生和废弃都非常迅速，在巨大的实例数量面前，Java 的垃圾处理器也会有很大的压力。

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HelloWords helloWords = new HelloWords("Chinese", "Ni Hao");
......

System.out.prinyln(
        "The hello words in Chinese: " + helloWords.getGreeting());

如果一种语言环境的打招呼的办法是固定不变的，而且语言环境的数量有限的话，我们就只有必要使用一个实例。

如果有了这个意识的话，那么对于这个打招呼的代码，我们就可以很自然地想到使用枚举类型，把它改进成下面的样子。

使用了枚举类型后，每一种语言就只有一个实例了。不管使用多少次，对内存的影响，对 Java 的垃圾处理器的影响，几乎可以忽略不计。

对于数量有限的对象，我们应该优先考虑使用枚举类型，比如交通标志，国家名称等等。其实，枚举类型就是一种常用的数据静态化的范例。我们还会在后面讨论其他类似的数据静态化的处理方式。

避免不必要的实例

Java 语言里，有一些历史遗留的接口设计问题，会无意中导致不必要的实例。我们下面来看看两个例子。

第一个例子是应用程序使用了不必要的构造函数。比如，使用 String 的构造函数实例化一串字符。

上面的反面实例，每次调用都会产生一个实例对象，而这个实例对象需要交给 Java 垃圾处理器管理。事实上，由于 String 是一个不可变的类，每次调用产生的实例没有任何的区别。如果这样的代码经常使用，比如说被调用了十万次，就会有十万个实例对象产生，Java 垃圾处理器就需要管理十万个实例。

这是一个很大的，不必要的开销。上面的两个正面案例，使用单实例的编码习惯，无论这段代码被调用了多少次，在 Java 的运行环境下，都只有一个实例。而且，相同的字符串，即使位于不同的代码空间里，在同一 Java 的运行环境下，也都只有一个实例。

String 类的这个构造函数，是一个接口设计的历史遗留问题，价值小，问题多。Java 基础类库里，还有一些类似的历史遗留问题，特别是原始数据类型（primitive type）对应的类。我们要避免使用它们的构造方法，甚至避免使用这些类。

幸运的是，这些原始数据类型对应类的构造方法，从 Java 9 开始，就已经被废弃了。但是这些方法依然存在，这些类依然存在。不论在哪里，如果你看到还有代码使用原始数据类型的构造函数，都可以提交一个问题报告。这样的更改，付出少，收益大。

避免使用原始数据类

通过上面的讨论，我们可以理解，为什么要避免使用原始数据类型的构造方法。可是为什么还要避免使用原始数据类呢？这里涉及到 Java 原始数据类型的自动装箱（boxing）与拆箱（unboxing）的类型转换。

比如说，下面的代码，就涉及到一个装箱的过程。整数 0 和 2 都要先被转换成一个 Long 类的实例，然后才执行赋值操作。

这个装箱的过程，就产生了不必要的实例。如果这样的转换数量巨大，就会有明显的性能影响。

使用单实例模式

由于 Java 内在的单实例模式，我们可以很方便地使用 Java 的原始数据类型，而不用担心实例数量的增长。对于复合的类，我们也可以自己设计单实例模式，从而减少多实例带来的不必要的开销。

比如，下面的代码，就是一个单实例模式例子。

单实例的设计方法有很多种方式，也有很多小细节需要处理，限于篇幅，我们就不在这里讨论这些技术了。欢迎你在讨论区分享你的经验和想法，来丰富这一部分的内容。

减小实例的尺寸

减少内存的使用还有另外一个办法，就是减小实例的尺寸。所谓减少实例的尺寸，就是减少这个实例占用的内存空间。这个空间，不仅包括实例的变量标识符占用的空间，还包括标识符所包含对象的占用空间。

比如下面的例子中，使用了 String 构造方法的变量，就独占了包括“Java”这四个字符的 String 实例空间。而使用了字符串赋值的变量，就和其他代码一起共享“Java”这四个字符的缺省的实例空间。

在减少变量数量这一方面，我们一般没有太多的自由空间。那么，在减少实例尺寸方面，我们能有所作为的，就是在标识符所指对象方面多费心思。简单地说，就是减少标识符所引用对象的尺寸。办法也有两个，第一个是尽量减少独占的空间；第二个是尽量使用共享的实例。

尽可能多地共享资源，这是一条提高效率的基本原则。在编写代码时，如果能够引用，就坚决不要拷贝；如果能够复用，就坚决不要新创。当然，资源的共享，除了上一次提到的线程同步问题，还有一个资源的维护问题。一个资源，如果不需要维护，那就太理想了。

有两类理想的共享资源，一类是一成不变（immutable）的资源，另一类是禁止修改（unmodifiable）的资源。

不可变的类

上一次，在讨论线程同步问题时，我们也讨论了不可变的类。由于不可变的类一旦实例化，就不再变化，我们可以放心地在不同的地方使用它的引用，而不用担心任何状态变化的问题。

无法修改的对象

还有一类对象，虽然不是不可变的类的实例，但是它的修改方法被禁止了。当我们使用这些对象的代码时，没有办法对它做出任何修改。这样，这些对象就有了和不可变的实例一样的优点，可以放心地引用。

从 Java 8 开始，Java 核心类库通过 Collections 类提供了一系列的生成不可更改的集合的方法。这些方法，极大地减轻了集合的共享和维护问题。

比如，下面的这个方法，就返回了一个不可更改的列表对象。这个对象，可以赋值给多个标识符，不需要列表的拷贝，也不用担心列表的维护问题。在合适的场景，考虑使用好不可更改的集合，是一个值得推荐的编码习惯。

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public List<byte[]> getStatusResponses() {
    List<byte[]> responses = new ArrayList<>();
    // snipped

    return Collections.unmodifiableList(responses);
}

毋庸置疑的是，我们不能总是使用不变的共享资源。可以变化的共享资源也有难以替代的作用。后面的章节，我们再接着讨论使用可变的共享资源的技巧。

小结

今天，我们主要讨论了怎么减少内存使用。基本的方向有两个，一个是减少实例数量，另一个是减少实例的尺寸。这两个方向看着都很简单，我们在编码时，要养成考虑这两个因素的习惯。想得多了，用得多了，你编写的代码对内存就会越来越友好，设计的接口也会越来越好用。

应用程序方面，内存使用的优化技术和实践有很多。欢迎你在留言区，讨论这些技术和经验，分享你使用这些技术的心得体会，我们一起来学习、精进。

一起来动手

我上面使用的一个例子，写得确实很丑陋。不过，当我想到，可以把它当作一个练手题的时候，我就稍微宽心了点。

你琢磨琢磨下面的这段代码，看看能不能实现 getInstance() 这个方法。该怎么修改，才能让这个方法更有效率？

另外，你能想明白为什么构造方法会设计成私有方法吗？变量为什么没有使用 private 关键字？这些小细节很有意思，如果你已经清楚了这些细节背后的原因，也欢迎你分享在讨论区。

欢迎你在留言区讨论上面的问题，也可以把这篇文章分享给你的朋友或者同事，我们一起来看看这个有点丑的代码，可以变得有多美。