深度解析JVM世界：垃圾判断和垃圾回收算法

点击蓝字“迷迭香编程”关注呦~

加个“星标★”，每日良时，好文必达呀！！

本文深度解析了JVM中的垃圾判断和回收算法。垃圾判断通过引用计数和可达性分析识别无用对象，而垃圾回收则采用标记-清除、复制、标记-整理及分代收集等算法。这些机制共同实现JVM自动内存管理，优化算法选择可提升程序性能与稳定性。

1. 垃圾判断

1.1 垃圾介绍

垃圾：如果一个或多个对象没有任何的引用指向它了，那么这个对象现在就是垃圾

作用：释放没用的对象，清除内存里的记录碎片，碎片整理将所占用的堆内存移到堆的一端，以便 JVM 将整理出的内存分配给新的对象

垃圾收集主要是针对堆和方法区进行，程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈这三个区域属于线程私有的，只存在于线程的生命周期内，线程结束之后就会消失，因此不需要对这三个区域进行垃圾回收

在堆里存放着几乎所有的 Java 对象实例，在 GC 执行垃圾回收之前，首先需要区分出内存中哪些是存活对象，哪些是已经死亡的对象。只有被标记为己经死亡的对象，GC 才会在执行垃圾回收时，释放掉其所占用的内存空间，因此这个过程可以称为垃圾标记阶段，判断对象存活一般有两种方式：引用计数算法和可达性分析算法

1.2 引用计数法

引用计数算法（Reference Counting）：对每个对象保存一个整型的引用计数器属性，用于记录对象被引用的情况。对于一个对象 A，只要有任何一个对象引用了 A，则 A 的引用计数器就加 1；当引用失效时，引用计数器就减 1；当对象 A 的引用计数器的值为 0，即表示对象A不可能再被使用，可进行回收（Java 没有采用）

优点：

回收没有延迟性，无需等到内存不够的时候才开始回收，运行时根据对象计数器是否为 0，可以直接回收
在垃圾回收过程中，应用无需挂起；如果申请内存时，内存不足，则立刻报 OOM 错误
区域性，更新对象的计数器时，只是影响到该对象，不会扫描全部对象

缺点：

每次对象被引用时，都需要去更新计数器，有一点时间开销
浪费 CPU 资源，即使内存够用，仍然在运行时进行计数器的统计。
无法解决循环引用问题，会引发内存泄露（最大的缺点）

public class Test {
    public Object instance = null;
    public static void main(String[] args) {
        Test a = new Test();// a = 1
        Test b = new Test();// b = 1
        a.instance = b;// b = 2
        b.instance = a;// a = 2
        a = null;// a = 1
        b = null;// b = 1
    }
}

1.3 可达性分析算法

1.3.1 GC Roots

可达性分析算法：也可以称为根搜索算法、追踪性垃圾收集

GC Roots 对象：

虚拟机栈中局部变量表中引用的对象：各个线程被调用的方法中使用到的参数、局部变量等
本地方法栈中引用的对象
堆中类静态属性引用的对象
方法区中的常量引用的对象
字符串常量池（string Table）里的引用
同步锁 synchronized 持有的对象

GC Roots 是一组活跃的引用，不是对象，放在 GC Roots Set 集合

1.3.2 工作原理

可达性分析算法以根对象集合（GCRoots）为起始点，从上至下的方式搜索被根对象集合所连接的目标对象

分析工作必须在一个保障一致性的快照中进行，否则结果的准确性无法保证，这也是导致 GC 进行时必须 Stop The World 的一个原因

基本原理：

可达性分析算法后，内存中的存活对象都会被根对象集合直接或间接连接着，搜索走过的路径称为引用链
如果目标对象没有任何引用链相连，则是不可达的，就意味着该对象己经死亡，可以标记为垃圾对象
在可达性分析算法中，只有能够被根对象集合直接或者间接连接的对象才是存活对象

(图片来源：https://www.bilibili.com/video/BV1yE411Z7AP)

1.4 引用分析

无论是通过引用计数算法判断对象的引用数量，还是通过可达性分析算法判断对象是否可达，判定对象是否可被回收都与引用有关，Java 提供了四种强度不同的引用类型

强引用：被强引用关联的对象不会被回收，只有所有 GCRoots 都不通过强引用引用该对象，才能被垃圾回收
```
Object obj = new Object();//使用 new 一个新对象的方式来创建强引用
```

强引用可以直接访问目标对象
虚拟机宁愿抛出 OOM 异常，也不会回收强引用所指向对象
强引用可能导致内存泄漏

软引用（SoftReference）：被软引用关联的对象只有在内存不够的情况下才会被回收

Object obj = new Object();
SoftReference<Object> sf = new SoftReference<Object>(obj);
obj = null;  // 使对象只被软引用关联

仅（可能有强引用，一个对象可以被多个引用）有软引用引用该对象时，在垃圾回收后，内存仍不足时会再次出发垃圾回收，回收软引用对象
配合引用队列来释放软引用自身，在构造软引用时，可以指定一个引用队列，当软引用对象被回收时，就会加入指定的引用队列，通过这个队列可以跟踪对象的回收情况
软引用通常用来实现内存敏感的缓存，比如高速缓存就有用到软引用；如果还有空闲内存，就可以暂时保留缓存，当内存不足时清理掉，这样就保证了使用缓存的同时不会耗尽内存

弱引用（WeakReference）：被弱引用关联的对象一定会被回收，只能存活到下一次垃圾回收发生之前
```
Object obj = new Object();
WeakReference<Object> wf = new WeakReference<Object>(obj);
obj = null;
```

仅有弱引用引用该对象时，在垃圾回收时，无论内存是否充足，都会回收弱引用对象
配合引用队列来释放弱引用自身
WeakHashMap 用来存储图片信息，可以在内存不足的时候及时回收，避免了 OOM

虚引用（PhantomReference）：也称为幽灵引用或者幻影引用，是所有引用类型中最弱的一个

Object obj = new Object();
PhantomReference<Object> pf = new PhantomReference<Object>(obj, null);
obj = null;

一个对象是否有虚引用的存在，不会对其生存时间造成影响，也无法通过虚引用得到一个对象
为对象设置虚引用的唯一目的是在于跟踪垃圾回收过程，能在这个对象被回收时收到一个系统通知
必须配合引用队列使用，主要配合 ByteBuffer 使用，被引用对象回收时会将虚引用入队，由 Reference Handler 线程调用虚引用相关方法释放直接内存

2. 回收算法

2.1 复制算法

复制算法的核心就是，将原有的内存空间一分为二，每次只用其中的一块，在垃圾回收时，将正在使用的对象复制到另一个内存空间中，然后将该内存空间清理，交换两个内存的角色，完成垃圾的回收

应用场景：如果内存中的垃圾对象较多，需要复制的对象就较少，这种情况下适合使用该方式并且效率比较高，反之则不适合

(图片来源：https://www.bilibili.com/video/BV1yE411Z7AP)

算法优点：

没有标记和清除过程，实现简单，运行速度快
复制过去以后保证空间的连续性，不会出现碎片问题

算法缺点：

主要不足是只使用了内存的一半
对于 G1 这种分拆成为大量 region 的 GC，复制而不是移动，意味着 GC 需要维护 region 之间对象引用关系，不管是内存占用或者时间开销都不小

现在的商业虚拟机都采用这种收集算法回收新生代，因为新生代 GC 频繁并且对象的存活率不高，但是并不是划分为大小相等的两块，而是一块较大的 Eden 空间和两块较小的 Survivor 空间

2.2 标记清除算法

标记清除算法，是将垃圾回收分为两个阶段，分别是标记和清除

标记：Collector 从引用根节点开始遍历，标记所有被引用的对象，一般是在对象的 Header 中记录为可达对象，标记的是引用的对象，不是垃圾
清除：Collector 对堆内存从头到尾进行线性的遍历，如果发现某个对象在其 Header 中没有标记为可达对象，则将其回收，把分块连接到空闲列表的单向链表，判断回收后的分块与前一个空闲分块是否连续，若连续会合并这两个分块，之后进行分配时只需要遍历这个空闲列表，就可以找到分块
分配阶段：程序会搜索空闲链表寻找空间大于等于新对象大小 size 的块 block，如果找到的块等于 size，会直接返回这个分块；如果找到的块大于 size，会将块分割成大小为 size 与 block – size 的两部分，返回大小为 size 的分块，并把大小为 block – size 的块返回给空闲列表

算法缺点：