JAVA垃圾回收机制（GC）--标记算法

Posted 2021-06-09 数据分析技术整合

1、 概述

Java的堆内存里面几乎存放着所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收之前，需要判断哪些对象是存活的，哪些对象已经死去，因此需要规则去判断哪些是可以回收的，哪些是不能回收的。本文涉及两个算法，引用计数器算法和可达性分析算法。

2、引用计数器算法

2.1、概念

引用计数器算法比较简单，通过在对象头中分配一个空间来保存该对象被引用的次数，如果该对象被引用，则其引用次数加一；如果删除该对象的引用，则其引用次数减一，当该对象的引用次数为零时，则该对象会被回收。

 String p = new String("abc");

如上，当创建String对象p时，abc对象的引用计数值加1为1.

而当我们去除abc字符串对象的引用时，则abc字符串对象的引用计数减1为0.

p = null;

2.2、实现原理

看如下伪代码：

New(): //分配内存
    ref <- allocate()
    if ref == null
        error "Out of memory"
    rc(ref) <- 0  //将ref的引用计数(reference counting)设置为0
    return ref
atomic Write(dest, ref) //更新对象的引用
    addReference(ref)
    deleteReference(dest)
    dest <- ref
addReference(ref):
    if ref != null
        rc(ref) <- rc(ref)+1
        
deleteReference(ref):
    if ref != null
        rc(ref) <- rc(ref) -1
        if rc(ref) == 0 //如果当前ref的引用计数为0，则表明其将要被回收
            for each fld in Pointers(ref)
                deleteReference(*fld)
            free(ref) //释放ref指向的内存空间

• 当对象的引用发生变化时，比如说将对象重新赋值给新的变量等，对象的引用计数如何变化。假设我们有两个变量p和q，它们分别指向不同的对象，当我们将他们指向同一个对象时，下面的图展示了p和q变量指向的两个对象的引用计数的变化。

  String p = new String("abc")
  String q = new String("def")
  p = q

  当我们执行代码p=q时，实际上相当于调用了伪代码中的Write(p,q)， 即对p原先指向的对象要进行deleteReference()操作 - 引用计数减一，因为p变量不再指向该对象了，而对q原先指向的对象要进行addReference()操作 - 引用计数加一。

• 当某个对象的引用计数减为0时，collector需要递归遍历它所指向的所有域，将它所有域所指向的对象的引用计数都减一，然后才能回收当前对象。在递归过程中，引用计数为0的对象也都将被回收，比如说下图中的phone和address指向的对象。

  

2.3、优缺点

• 优点

1. 实时：无需等到内存不够时进行回收，运行时根据数据对象的计数器是否为0，为0就可以直接回收；

2. 应用无需挂起：垃圾回收时，应用无需挂起。如果申请内存时，内存不足则会立刻报OOM异常；

3. 区域性：更新对象计数时，只会影响到该对象，不会去扫描全部对象。

• 缺点

1. 每次对象被引用时，都需要去更新计数器，有时间开销，尤其是在循环时；

2. 无法解决循环依赖的问题

public class Test {

    public static void main(String[] args) {

        A a = new A();
        B b = new B();

        a.setB(b);
        b.setA(a);

    }
}

class A {
    private B b;

    public B getB() {
        return b;
    }

    public void setB(B b) {
        this.b = b;
    }
}

class B {
    private A a;

    public A getA() {
        return a;
    }

    public void setA(A a) {
        this.a = a;
    }
}

2.4、应用

Python虚拟机、redis、OkHttp、netty等都有使用到这种算法

3、根搜索算法

3.1、概念

以gc roots对象开始，到指定对象是否可达。若gc roots不可达(当一个对象到gc roots没有任何引用链相连)，则判定此对象为可回收对象。

根搜索算法判断对象的存活与对象的引用有关，之前有记录过Java的四种引用类型（强引用、软引用、弱引用、虚引用），在实际回收标记中，根搜索算法判断的对象不可达并非直接判定对象”死亡“，这时候的对象处于”缓刑“阶段，真正进行回收至少需要经历至少两次标记阶段，

如果一个对象通过根搜索之后发现没有与GC Roots相连的引用连接，此时会进行第一次标记并且进行筛选，当对象没有覆盖finalize()方法或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，则都不会再执行。此时对象没有自救的机会。

如果对象被判断为有必要执行finalize()方法，此时对象会被放在名为F-Queued的队列中，并在稍后由虚拟机自动创建的低优先级的Finalize线程去执行，这里所谓的执行指的是虚拟机会触发这个方法，但并保证会等待进行结束。

finalize()方法是对象逃脱”死亡“的最后一次机会，且只有一次。稍后GC将会对F-Queued中的对象进行第二次小规模的标记，如果对象想要在finalize()中成功拯救自己，只要重新引用链接上任何一个对象建立链接关系即可，譬如把自己（this关键字）赋值给某个变量或者对象的成员变量，则此对象再第二次标记时将会被移出”即将回收“的集合。

如下代码：

public class FinalizeEscapeGC {
 
    private static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;
 
    private void isAlive() {
        System.out.println("Yes,I am still alive!");
    }
 
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("finalize() method executed!");
        FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;
    }
 
    public static void main(String args[]) throws Throwable {
        SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();
        // 对象第一次成功拯救自己
        SAVE_HOOK = null;
        // 调用该方法建议系统执行垃圾清理，但也并不一定执行
        System.gc();
        // 因为Finalize线程优先级较低，暂停0.5秒以等待它
        Thread.sleep(500);
        if (SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("No, I am dead!");
        }
        // 下面这段代码与上面完全相同，但这次却自救失败了
        SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500);
        if (SAVE_HOOK != null) {
            SAVE_HOOK.isAlive();
        } else {
            System.out.println("No, I am dead!");
        }
    }
}

3.2、GC Roots

3.2.1、概念

可达性算法的原理是以一系列叫做  GC Root 的对象为起点出发，引出它们指向的下一个节点，再以下个节点为起点，引出此节点指向的下一个结点。这样通过 GC Root 串成的一条线就叫引用链），直到所有的结点都遍历完毕,如果相关对象不在任意一个以 GC Root 为起点的引用链中，则这些对象会被判断为垃圾对象,会被 GC 回收。

如图示，如果用可达性算法即可解决上述循环引用的问题，因为从GC Root 出发没有到达 a,b,所以 a，b 可回收。

3.2.2、两栈两方法

在Java中，哪些可以作为GC Root呢，归结为两栈两方法

1. 两栈

• 本地方法栈中 JNI（即一般说的 Native 方法）引用的对象

• 虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象

2. 两方法

• 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

3.2.2.1、虚拟机栈中引用的对象

如下代码所示，a 是栈帧中的本地变量，当 a = null 时，由于此时 a 充当了 GC Root 的作用，a 与原来指向的实例 new Test() 断开了连接，所以对象会被回收。

public class Test {
    public static  void main(String[] args) {
 Test a = new Test();
 a = null;
    }
}

3.2.2.2、方法区中类静态属性引用的对象

所谓本地方法就是一个 java 调用非 java 代码的接口，该方法并非 Java 实现的，可能由 C 或 Python等其他语言实现的， Java 通过 JNI 来调用本地方法， 而本地方法是以库文件的形式存放的（在 WINDOWS 平台上是 DLL 文件形式，在 UNIX 机器上是 SO 文件形式）。通过调用本地的库文件的内部方法，使 JAVA 可以实现和本地机器的紧密联系，调用系统级的各接口方法，还是不明白？见文末参考，对本地方法定义与使用有详细介绍。

当调用 Java 方法时，虚拟机会创建一个栈桢并压入 Java 栈，而当它调用的是本地方法时，虚拟机会保持 Java 栈不变，不会在 Java 栈祯中压入新的祯，虚拟机只是简单地动态连接并直接调用指定的本地方法。

JNIEXPORT void JNICALL Java_com_pecuyu_jnirefdemo_MainActivity_newStringNative(JNIEnv *env, jobject instance，jstring jmsg) {
...
   // 缓存String的class
   jclass jc = (*env)->FindClass(env, STRING_PATH);
}

如上代码所示，当 java 调用以上本地方法时，jc 会被本地方法栈压入栈中, jc 就是我们说的本地方法栈中 JNI 的对象引用，因此只会在此本地方法执行完成后才会被释放。

3.2.2.3、方法区中类静态属性引用的对象

如下代码所示，当栈帧中的本地变量 a = null 时，由于 a 原来指向的对象与 GC Root (变量 a) 断开了连接，所以 a 原来指向的对象会被回收，而由于我们给 s 赋值了变量的引用，s 在此时是类静态属性引用，充当了 GC Root 的作用，它指向的对象依然存活!

public class Test {
    public static Test s;
    public static  void main(String[] args) {
 Test a = new Test();
 a.s = new Test();
 a = null;
    }
}

3.2.2.4、方方法区中常量引用的对象

如下代码所示，常量 s 指向的对象并不会因为 a 指向的对象被回收而回收

public class Test {
 public static final Test s = new Test();
        public static void main(String[] args) {
     Test a = new Test();
     a = null;
        }
}