JVM中垃圾回收机制如何判断是否死亡？详解引用计数法和可达性分析！

2022-11-11 17:08:07

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这节我们主要讲垃圾收集的一些基本概念，先了解垃圾收集是什么、然后触发条件是什么、最后虚拟机如何判断对象是否死亡。

一、前言

我们都知道Java和C++有一个非常大的区别就是Java有自动的垃圾回收机制，经过半个多世纪的发展，Java已经进入了“自动化”时代，让使用者只需要注重业务逻辑的开发而不需要担心内存的使用情况。那么我们为什么还要学习Java的垃圾回收机制呢？原因很简单：我们不想止于“增删改查工程师”这样的初级水平，一旦程序发生了内存溢出、内存泄漏等问题时，我们可以用已掌握的知识更好的调节和优化我们的代码。在学这章节之前，默认大家已经了解并掌握了Java内存运行时的五个区域的功能：方法区、Java堆、虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。还没有了解过的朋友请先看这里：JVM中五大内存区域

二、判断对象是否死亡

客官们可以先想一下，GC（垃圾回收机制）在清理内存的时候第一件事要做什么？肯定是要先判断内存中的对象是否已经死亡，也就是再也不会被使用了，然后才会去回收这些对象。判断对象是否死亡通常会有两种办法：引用计数法和可达性分析。

2.1 引用计数法

使用引用计数法，要先给每一个对象中添加一个计数器，一旦有地方引用了此对象，则该对象的计数器加1，如果引用失效了，则计数器减1。这样当计数器为0时，就代表此对象没有被任何地方引用。这种方法实现简单，判定效率也很高，在大部分情况下都是一个比较不错的方法。但是在Java虚拟机中并没有选用引用计数法来管理内存，其主要原因是它很难解决对象之间相互引用的问题，如果两个对应互相引用，导致他们的引用计数都不为0，最终不能回收他们。我们来举个例子

class Person{

    public Person lover = null;//定义一个爱人

    private String name = "";//姓名

    Person(String name){

        this.name = name;

    }

}

public class Demo {

    public static void main(String[] args) {

        Person liangshanbo = new Person("梁山伯");//创建一个人物：梁山伯

        Person zhuyingtai = new Person("祝英台");//创建一个人物：祝英台

        liangshanbo.lover = zhuyingtai;//设置梁山伯的爱人是祝英台

        zhuyingtai.lover = liangshanbo;//设置祝英台的爱人是梁山伯

    }

}

其中梁山伯和祝英台两个对象互相引用，因此如果使用引用计数法来判断对象是否死亡的话，垃圾回收机制是不能回收这两个对象的。

2.2 可达性分析算法

在大部分主流语言中都是通过此方法来判断对象是否存活的，这个算法的思想是通过一系列被称为“GC root”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，走过的路径叫做引用链。如果一个对象没有通过引用链连接到GC root节点，则证明此对象是不可用的，如下图所示，GC roots 是根节点，凡是能通过引用链连接上GC root 的Object 1,2,3,4都是被使用的对象。但是Object 5,6,7却不能通过任何方式连接上根节点，因此判定Object 5,6,7为可回收的节点。

理解了可达性分析法，你可能又会问了GC root对象是什么？在JAVA语言中，可以作为GC root的对象包括以下几种：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。
方法区中类静态属性引用的对象。
方法区中常量引用的对象。
本地方法栈中JNI（Java Native Interface）引用的对象。

以上四种不需要死记硬背，由于方法区、虚拟机栈和本地方法栈中保存了类中和方法中定义的变量的引用，既然是自己定义的变量，所以肯定是有用的。

2.4 “引用”是什么

我们知道java中将数据类型分为两大类：基本类型和引用类型。java中引用的定义是：如果reference类型的数据中存储的数值代表的是另一块内存的起始地址，就称这块内存代表着一个引用。举个例子：

Person p = new Person();

上面代码的写法我们经常见到，其中等号后面的 new Person(); 是真正的对象，所有的内容都保存在java堆内存中，而等号前面的 p 只是真实内容的一个代称，保存在虚拟机栈内存中，它存储的只是一个地址，是 new Person(); 在堆内存中的起始位置，因此 p 就是一个引用。

按照这种理解，java的对象只能够分为被引用和没有被引用两种情况。但是在JDK1.2之后，java对引用的概念进行了扩充，分为强、软、弱、虚四种引用，且强度依次逐渐降低。

强引用：即咱们经常看到的引用方式，如在方法中定义：Object obj = new Object();，真正的对象“new Object()”保存在java堆中，其中“obj”代表了一个引用，存放的是java堆中“new Object()”的起始地址。只要引用还在，垃圾收集器就不会回收掉被引用的对象。
软引用：是用来描述一些有用但非必须的对象，我们可以使用SoftReference类来实现软引用。对于软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常之前，会把这些对象列进回收范围之中。如果回收之后内存还是不足，才会报内存溢出的异常。
弱引用：是用来描述非必须的对象，使用WeakReference类来实现弱引用。它只能生存到下一次垃圾回收发生之前，当垃圾回收机制开始时，无论是否会内存溢出，都将回收掉被弱引用关联的对象。
虚引用：最没有存在感的一种引用关系，可以通过PhantomReference类来实现。存在不存在几乎没影响，也不能通过虚引用来获取一个对象实例，存在的唯一目的是被垃圾收集器回收后可以收到一条系统通知。

我们可以通过代码来控制对象的“强软弱虚”四种引用，有利于JVM进行垃圾回收。那么知道了上面的知识后，我们来探究一下对象是否会死亡？

2.5 对象是否死亡

之前提到过，通过可达性分析后，找到的不可达对象会被垃圾收集器回收，那么，不可达对象一定会被回收吗？答案是不一定。这时候他们处于“死缓”的阶段，如果非要“上诉”，也是有可能被无罪释放的。他们是如何自救的？在可达性分析后发现一些对象没有跟GC root相连接的引用链，该对象会被进行一次标记，然后进行筛选，筛选的条件是判断该对象有没有必要执行finalize()方法（此方法每个对象默认都有），但如果对象没有重写finalize()方法或者对象的finalize方法已经被虚拟机调用过一次了，则都将视为“没有必要执行”，垃圾回收器可以直接回收。

（此段是自我拯救的过程，不是重点了解即可）如果该对象被判定有必要执行finalize()方法，那么虚拟机会把这个对象放置在一个F-Queue的队列中，然后由一个专门的Finalizer线程去执行这个对象的finalize()方法。我们可以在这个方法中进行对象的“自我拯救”，即重新与引用链上的任何一个对象建立关联就可以了，比如把this赋值给某个类的变量，或者对象的成员变量，那么在第二次标记时它将被移除“即将回收”的集合，下面我们看一个案例来了解。

/**

 * @author 编程开发分享者

 * @Date 2020/3/16 10:51

 */

public class FinalizeEscapeGC {

    /**

     * 知识点回顾：

     * 1.方法区中存放的是类的基本信息、静态变量、编译后的代码、常量池

     * 2.GC root可以是方法区中静态变量引用的对象

     * 3.一个对象的finalize()方法最多只会被系统自动调用一次。

     * */

    //创建一个静态变量

    public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;

    @Override

    protected void finalize() throws Throwable {

        super.finalize();

        System.out.println("程序执行了finalize()方法");

        SAVE_HOOK = this;//将自己赋值给一个静态变量实现自我拯救，连接上了GC root（细品知识点回顾）

    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();

        //第一次准备杀死对象

        SAVE_HOOK = null;//将对象置空，按理说会被GC回收，但此对象实现了finalize()方法并实现了自我拯救

        System.gc();//执行GC

        Thread.sleep(500);//由于Finalizer线程优先级比较低，因此短暂休眠主线程等等它

        if (SAVE_HOOK!=null){

            System.out.println("哈哈哈，我还活着");

        }else {

            System.out.println("No,我哏儿屁了");

        }

        System.out.println("--------------------------");

        //第二次准备杀死对象（跟上面代码一样）

        SAVE_HOOK = null;//将对象置空，此时finalize()方法已经自动执行过一次了

        System.gc();//执行GC

        Thread.sleep(500);//由于Finalizer线程优先级比较低，因此短暂休眠主线程等等它

        if (SAVE_HOOK!=null){

            System.out.println("哈哈哈，我还活着");

        }else {

            System.out.println("No,我哏儿屁了");

        }

    }

}

运行结果：

注意：根据《深入理解Java虚拟机》中解释这种自我拯救的方法运行代价高昂，不确定性大，无法保证各个对象的调用顺序，因此这一知识点仅作了解即可。

2.6 回收方法区

由于我们经常用的HotSpot虚拟机规定方法区也可以称为永久代，因此很多人认为在方法区中是没有垃圾收集的，其实是有的，只不过收集垃圾的“性价比”非常低。在堆中，尤其是新生代，垃圾收集一般可以回收70%~95%的空间，而永久代的垃圾收集效率远低于此。永久代的垃圾收集主要回收两部分内容：废弃常量和无用的类。

回收废弃常量：当前系统中没有任何对象引用常量池中的某个常量，则一旦发生内存回收，如果有必要，该常量就会被系统清理出常量池。
回收无用的类：要满足三个条件才能证明某个类是无用的，1.类的实例都已经被回收了。2.加载该类的ClassLoader也被回收了。3.该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用。注意：满足以上三点的类只是说可以被回收，但并不像对象一样一定会被回收，是否进行回收可以使用虚拟机提供的参数来控制。大量使用反射、动态代理等频繁自定义ClassLoader的场景都需要虚拟机具备类卸载功能，以保证永久代不会溢出。

本博客参考《深入理解Java虚拟机》这本书。

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