【JVM原理】垃圾回收机制(1)--如何判定对象可以回收

拼搏现实的明天。 2022-05-21 12:39 176阅读 0赞

# 前言 #

Github：[https://github.com/yihonglei/jdk-source-code-reading][https_github.com_yihonglei_jdk-source-code-reading]（java-jvm）

[JVM内存结构][JVM]

[JVM类加载机制][JVM 1]

[JVM内存溢出分析][JVM 2]

[HotSpot对象创建、内存、访问][HotSpot]

[JVM垃圾回收机制(1)--如何判定对象可以回收][JVM_1_--]

[JVM垃圾回收机制(2)--垃圾收集算法][JVM_2_--]

[JVM垃圾回收机制(3)--垃圾收集器][JVM_3_--]

[JVM垃圾回收机制(4)--内存分配和回收策略][JVM_4_--]

# 一 垃圾回收机制概述 #

GC 即垃圾收集机制是指 JVM 用于释放那些不再使用的对象所占用的内存。

Java 语言并不要求 JVM 有 GC，也没有规定 GC 如何工作。不过常用的 JVM 都有 GC，

而且大多数 GC 都使用类似的算法管理内存和执行收集操作。在充分理解了垃圾收集算法

和执行过程后，才能有效的优化它的性能。有些垃圾收集专用于特殊的应用程序。

比如，实时应用程序主要是为了避免垃圾收集中断，而大多数 OLTP 应用程序则注重整体效率。

理解了应用程序的工作负荷和 JVM 支持的垃圾收集算法，便可以进行优化配置垃圾收集器。

垃圾收集的目的在于清除不再使用的对象。

**GC 主要考虑三件要完成的事情：**

**1）哪些内存需要回收?**（对象是否可以被回收的两种经典算法: 引用计数算法和可达性分析算法**）**

**2）什么时候回收?**（堆的新生代、老年代、永久代的垃圾回收时机，MinorGC 和 FullGC）

**3）如何回收?**（经典垃圾回收算法(标记清除算法、复制算法、标记整理算法)及分代收集算法

和七种垃圾收集器）这里主要讨论哪些内存需要回收。

# 二 如何确定对象是否存活 #

垃圾收集器对堆进行回收前，首先需要确定哪些对象还"活着"，哪些对象已经"死去"。

常用两种算法分析对象是否存活: 引用计数算法和可达性分析算法。

## 1、引用计数算法 ##

### 算法思路: ###

1）给对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值加 1；

2）当引用失效时，计数器值就减 1；

3）任何时刻计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的；

### 算法优点: ###

实现简单，判定效率高；

### 算法缺点: ###

很难解决对象之间相互循环引用的问题。**所以主流的虚拟机里没有选用引用计数算法来**

**管理内存的。**关于循环引用的例子，比如对象 objA 和 objB 都有字段 instance，

赋值令 objA.instance = objB，objB.instance = objA，除此之外对象再无任何引用，

实际上两个对象已经不可能再被访问，但是他们因为相互引用着对方，导致它们的

引用计数都不为 0，于是引用计数算法无法通知 GC 收集器回收它们。

package com.jpeony.jvm.gc;
    
    /**
     * VM Args: -XX:+PrintGCDetails
     * 参数描述: 用于打印GC日志，可以指定GC文件目录-XX:+PrintGCDetails -Xloggc:d:\gc.log
     * 
     * @author yihonglei
     */
    public class ReferenceCountingGC {
        public Object instance = null;
        private static final int _MB = 1024 * 1024;
        private byte[] bigSize = new byte[2 * _MB];
    
        public static void testGC() {
            ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
            ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
            objA.instance = objB;
            objB.instance  = objA;
    
            objA = null;
            objB = null;
    
            System.gc();
        }
    
        public static void main(String[] args) {
            testGC();
        }
    }

### GC详情: ###

![70][]

**从运行结果可以看到内存回收了，说明虚拟机不是用的引用计数算法管理内存。**

## 2、可达性分析算法 ##

### 算法思路： ###

通过一系列的称为"GC Roots"的对象作为起始点，从这些节点开始往下搜索，

搜索所有走过的路径称为引用链(Reference Chain)，当一个对象到 GC Roots 没有任何

引用链相连时，则证明此对象是不可用的。

![70 1][]

可达性分析算法判定对象是否可以回收的图例中，绿色部分为仍然存活的对象，黄色部分

判定可回收的对象。黄色部分 object5、object6、object7 虽然相互关联，但是它们到

GC Roots 是不可达的，也就是没有与 GC Roots 建立引用链，所以它们将被判定为是

可以回收的对象。在 Java 语言中，可以作为 GC Roots 的对象包括下面几种：

1）虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。

2）方法区中静态属性引用的对象。

3）方法区中常量引用的对象，在 jdk7 后被移到堆中。

4）本地方法栈中 JNI (即一般说的 Native 方法)引用的对象。

### 算法优点： ###

更加精确和严谨，可以分析出循环数据结构相互引用的情况；

### 算法缺点： ###

1）实现比较复杂；

2）需要分析大量数据，消耗大量时间；

3）分析过程需要 GC 停顿（引用关系不能发生变化），即停顿所有 Java 执行线程

（称为"Stop The World"，是垃圾回收重点关注的问题）；

# 三、再谈引用 #

**在 JDK1.2 以前的引用定义:**

在 JDK1.2 以前，Java 中的引用定义很传统：如果 reference 类型的数据中存储的数值代表

的是另外一块内存的起始地址，就称这块内存代表着一个引用。这种定义太过狭隘，一个对象

在这种定义下只有被引用或者没有被引用两种状态，一点犹豫的机会都没有，对于哪种

"食之无味，弃之可惜"的鸡肋对象就没法描述了。但是，我们又希望能描述这类对象，

当内存空间还足够时，则能保留在内存中；如果内存空间在进行垃圾收集后还是

非常紧张，则可以抛弃这些对象。

**在 JDK1.2 之后对引用做了补充:**

在 JDK1.2 之后，Java对象引用概念进行了扩充，将引用分为强引用（Strong Reference）、

软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）、虚引用（Phantom Reference）4中，

引用强度依次逐渐减弱。

**1）强引用（Strong Reference）**

强引用在程序里面使用最普遍，只要对象强引用还存在，GC 就不会回收掉被引用的对象。比如：

Object strongReference = new Object()

当 Java 内存空间不足时，Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，使程序异常终止，

也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足的问题。 如果强引用对象不使用时，

需要释放引用，让 GC 能够回收 ，比如：

strongReference = null;

通过 StrongReference 类来实现软引用。

**2）软引用（Soft Reference）**

软引用是用来描述一些还有用但是并非必需的对象。如果一个对象具有软引用，

当内存空间足够时，垃圾回收器就不会回收该对象，但是当内存空间不足时，

这些对象就会被回收掉。只要这些对象没有被 GC，则这些对象可以被程序使用。

软引用可以用来实现内存敏感的高速缓存，因为通过回收特性，不会影响 Java 内存，

是一个非常有自知之明的引用。通过 SoftReference 类来实现软引用。

**3）弱引用（Weak Reference）**

弱引用也是用来描述非必需的对象的，但是它的强度比软引用更弱一些，**被弱引用关联的**

**对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前**。当垃圾收集器工作时，无论当前内存是否足够，

都会回收掉只被弱引用关联的对象。通过 WeakReference 类来实现弱引用。

**4）虚引用（Phantom Reference）**

虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用，它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚

引用的存在，完全不会对其生存时间构成影响，也无法通过虚引用来取得一个对象实例，

在任何时候都可能被回收掉。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象

被收集器回收时收到一个系统通知，用于追踪对象被 GC 的活动。

通过 PhantomReference 类来实现虚引用。

对象引用关系参考：[https://juejin.im/post/5b82c02df265da436152f5ad][https_juejin.im_post_5b82c02df265da436152f5ad]

# **四 判断对象是生存还是死亡** #

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是"非死不可的"，只是暂时处于"缓刑"阶段，

要真正宣告一个对象死亡，至少要经历两次标记过程。

**第一次标记：**

如果对象在进行可达性分析后发现没有与 GC Roots 相连接的引用链，那它将会被第一次

标记并且进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行 finalize() 方法。当对象没有

覆盖 finalize() 方法，或者 finalize() 方法已经被虚拟机调用过，虚拟机将这两种情况都视

为"没有必要执行"。如果这个对象被判定为有必要执行 finalize() 方法，那么这个对象将会

被放置在一个叫做 F-Queue 的队列中，并在稍后由一个虚拟机自动建立的、低优先级的

Finalizer 线程去触发这个方法。

**第二次标记：**

GC 将对 F-Queue 队列中的对象进行第二次小规模标记；finalize() 方法是对象逃脱死亡的

最后一次机会：如果对象在其 finalize() 方法中重新与引用链上任何一个对象建立关联，

第二次标记时会将其移出"即将回收"的集合；如果对象没有，也可以认为对象已死，

可以回收了； 一个对象的 finalize() 方法只会被系统自动调用一次，经过 finalize() 方法逃脱

死亡的对象，第二次不会再调用；

# 参考文献 #

**《深入理解Java虚拟机》 (第二版) 周志明 著；**

[https_github.com_yihonglei_jdk-source-code-reading]: https://github.com/yihonglei/jdk-source-code-reading
[JVM]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80882595
[JVM 1]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/81295635
[JVM 2]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80946511
[HotSpot]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80893288
[JVM_1_--]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80950336
[JVM_2_--]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80953776
[JVM_3_--]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80956479
[JVM_4_--]: https://blog.csdn.net/yhl_jxy/article/details/80968456
[70]: /images/20220521/f647a582180e4417ad6f92a97d963296.png
[70 1]: /images/20220521/4efad288bc714ebc91a5fd49452c5dde.png
[https_juejin.im_post_5b82c02df265da436152f5ad]: https://juejin.im/post/5b82c02df265da436152f5ad