JVM - 垃圾判断算法

JVM 解密 —— 垃圾判断算法

在 JVM 对堆内存进行回收之前，首先要解决一个问题：如何判断哪些对象是“垃圾”（即不再被任何地方使用的对象）？

主要有两种经典的判断算法：引用计数算法和可达性分析算法。

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1. 深度剖析：两大判断算法

1.1 引用计数算法 (Reference Counting)

• 原理: 在对象中添加一个引用计数器。每当有一个地方引用它时，计数器值就加 1；当引用失效时，计数器值就减 1。任何时刻当计数器为 0 的对象，就是不可能再被使用的，可以被回收。

• 优点: 实现简单，判断效率高。大部分情况下，它是一个不错的算法。

• 致命缺点: 无法解决对象之间循环引用的问题。如果两个或多个对象相互引用，即使它们在程序中已经没有任何其他地方使用了，但它们的引用计数器永远不为 0，导致它们永远无法被回收，造成内存泄漏。

• 生活比喻: 想象每个人（对象）头上都有一个数字，代表“有多少人还惦记着你”。

  • 小明被 A、B 两个人惦记，他的计数值就是 2。
  • 后来 A、B 都不再惦记他了，他的计数值变为 0，说明他“没用了”，可以被“清理”了。
  • 循环引用问题：现在，小红和小刚两个人，除了彼此，谁也不惦记。小红只惦记小刚，小刚只惦记小红。于是他们俩头上的计数值都是 1。虽然在外界看来，这两个人已经“与世隔绝”，毫无用处，但因为他们互相惦记，导致计数值永远不为 0，系统就没法把他们清理掉。

结论：由于存在循环引用的硬伤，现代主流的 Java 虚拟机（如 HotSpot）并未使用引用计数算法来管理内存。

1.2 可达性分析算法 (Reachability Analysis)

这是当前主流虚拟机（包括 HotSpot）正在使用的算法。

• 原理: 通过一系列被称为“GC Roots”的根对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链 (Reference Chain)。当一个对象到任何 GC Roots 之间没有任何引用链相连时（用图论的话说，就是从 GC Roots 到这个对象不可达），则证明此对象是不可用的，可以被回收。

• 什么是 GC Roots: 在 Java 语言中，可作为 GC Roots 的对象包括（但不限于）以下几种：

  1. 虚拟机栈中引用的对象（即当前正在执行的方法里的局部变量所引用的对象）。
     • 也就是当前正在执行的方法中，所有的局部变量所引用的对象。只要方法还在执行，这些对象就必须存活。
  2. 方法区中类静态属性引用的对象。
     • 类中由static关键字修饰的字段所引用的对象。这些字段属于类本身，与类的生命周期绑定，因此它们引用的对象是存活的。
  3. 方法区中常量引用的对象。
     • 字符串常量池中的引用，或者由final static修饰的常量所引用的对象。
  4. 本地方法栈中 JNI (即一般说的 Native 方法) 引用的对象。
     • 当Java代码调用C或C++等本地代码时，本地代码可能会持有Java对象的引用，这些对象也必须存活。
  5. 被同步锁（synchronized）持有的对象。
     • 正在被用于synchronized锁定的对象，它们不能被回收。
  6. Java虚拟机内部的引用。
     • 如基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（如NullPointerException, OutOfMemoryError）等，还有系统类加载器。

• 优点: 完美地解决了循环引用的问题。在上面的例子中，小红和小刚虽然互相引用，但他们与任何一个“根人物”（GC Roots）都没有关系，所以从根出发，无论如何也找不到他们。因此，他们俩都会被判定为“不可达”的垃圾，可以被一起回收。

• 生活比喻: 想象一次“寻人启事”。

  • GC Roots: 就是一群“根正苗红”的、肯定不是失踪人口的“核心人物”，比如正在上班的员工（虚拟机栈）、公司的创始人（静态属性）等。
  • 可达性分析: 从这些核心人物出发，去寻找他们的亲戚、朋友、同事……所有能通过这条“关系链”找到的人，都被认为是“活人”（存活对象）。
  • 垃圾对象: 经过一轮寻找后，那些没有任何关系链能联系到的“孤魂野鬼”（比如上面与世隔绝的小红和小刚），就被认为是“失踪人口”（垃圾对象），可以被安全地清理掉。

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2. 扩展知识：Java 的四种引用类型

在 JDK 1.2 之后，Java 对引用的概念进行了扩充，将引用分为四种，这使得程序能更加灵活地控制对象的生命周期。

1. 强引用 (Strong Reference):

   • 定义: 就是我们最常用的 Object obj = new Object(); 这种引用。
   • 特点: 只要强引用还存在，垃圾收集器永远不会回收被引用的对象，即使内存不足时，宁愿抛出 OutOfMemoryError。

2. 软引用 (Soft Reference):

   • 定义: 用 SoftReference 类来实现。
   • 特点: 只有在内存不足时，垃圾收集器才会回收这些对象。因此，软引用非常适合用来实现高速缓存。

3. 弱引用 (Weak Reference):

   • 定义: 用 WeakReference 类来实现。
   • 特点: 只要垃圾收集器运行，无论当前内存是否充足，都会回收掉只被弱引用关联的对象。WeakHashMap 的 Key 就是弱引用，当 Key 被回收后，对应的 Value 也会被自动移除。

4. 虚引用 (Phantom Reference):

   • 定义: 用 PhantomReference 类来实现，也称为“幽灵引用”或“幻影引用”。
   • 特点: 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。它的唯一作用就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知，通常用于管理堆外内存。