【JVM进阶之路】五：垃圾回收概述和对象回收判定

1、垃圾收集概述

垃圾收集（Garbage Collection，简称GC）简单说，就是要干三件事：

• 哪些内存需要回收？
• 什么时候回收？
• 如何回收？

在Java的内存区域中：

• 程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程而生，随线程而灭，栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作，所以这几个区域的内存回收是确定的，随着方法结束或者线程结束，内存自然回收。
• Java堆和方法区这两个区域则有着很显著的不确定性：一个接口的多个实现类需要的内存可能会不一样，一个方法所执行的不同条件分支所需要的内存也可能不一样，只有处于运行期间，我们才能知道程序究竟会创建哪些对象，创建多少个对象，这部分内存的分配和回收是动态的。垃圾收集器所关注的正是这部分内存该如何管理。

2、回收对象判定

现在开始进入垃圾回收的要干的第一件事：哪些内存需要回收？

2.1、引用计数算法

先来看一种比较古老的方式：引用计数算法（reference counting）。

引用计数器的算法是这样的：在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器值就加一；当引用失效时，计数器值就减一；任何时刻计数器为零的对象就是不可能再被使用的。

这个方法不是目前的主流判定方式，原因除了需要额外的空间来存储计数器，以及繁琐的更新操作，引用计数法还有一个重大的漏洞，那便是无法处理循环引用对象。

举个例子，假设对象 a 与 b 相互引用，除此之外没有其他引用指向 a 或者 b。在这种情况下，a 和 b 实际上已经死了，但由于它们的引用计数器皆不为 0，在引用计数法的心中，这两个对象还活着。因此，这些循环引用对象所占据的空间将不可回收，从而造成了内存泄露。

2.2、可达性分析算法

目前 Java 虚拟机的主流垃圾回收器采取的是可达性分析算法。这个算法的实质在于将一系列 GC Roots 作为初始的存活对象合集（Gc Root Set），然后从该合集出发，探索所有能够被该集合引用到的对象，并将其加入到该集合中，这个过程我们也称之为标记（mark）。最终，未被探索到的对象便是死亡的，是可以回收的。

在Java技术体系里面，固定可作为GC Roots的对象包括以下几种：

• 在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象
• 在方法区中类静态属性引用的对象，譬如Java类的引用类型静态变量。
• 在方法区中常量引用的对象，譬如字符串常量池（String Table）里的引用。
• 在本地方法栈中JNI（即通常所说的Native方法）引用的对象。
• 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（比如 NullPointExcepiton、OutOfMemoryError）等，还有系统类加载器。
• 所有被同步锁（synchronized关键字）持有的对象。
• 反映Java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等。

3、Java中的引用

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引用链可达，判定对象是否存活都和“引用”离不开关系。

Java中的引用有四种，分为强引用（Strongly Reference）、软引用（Soft Reference）、弱引用（Weak Reference）和虚引用（Phantom Reference）4种，这4种引用强度依次逐渐减弱。

• 强引用是最传统的“引用”的定义，是指在程序代码之中普遍存在的引用赋值，无论任何情况下，只要强引用关系还存在，垃圾收集器就永远不会回 收掉被引用的对象。

Object obj =new Object();

• 软引用是用来描述一些还有用，但非必须的对象。只被软引用关联着的对象，在系统将要发生内存溢出异常前，会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收，如果这次回收还没有足够的内存， 才会抛出内存溢出异常。在JDK 1.2版之后提供了SoftReference类来实现软引用。

        Object obj = new Object();
        ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
        SoftReference reference = new SoftReference(obj, queue);
        //强引用对象滞空，保留软引用
        obj = null;

• 弱引用也是用来描述那些非必须对象，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为止。当垃圾收集器开始工作，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。在JDK 1.2版之后提供了WeakReference类来实现弱引用。

        Object obj = new Object();
        ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
        WeakReference reference = new WeakReference(obj, queue);
        //强引用对象滞空，保留软引用
        obj = null;

• 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。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的只是为了能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。在JDK 1.2版之后提供了PhantomReference类来实现虚引用。

        Object obj = new Object();
        ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();
        PhantomReference reference = new PhantomReference(obj, queue);
        //强引用对象滞空，保留软引用
        obj = null;

4、不可达！=死亡

要注意，及时对象被判定为不可达，也不一定非死不可。举个不恰当的例子，此时的对象就是秋后问斩的死囚，还有伸冤的机会。

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，随后进行一次筛选，筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。如果对象在在finalize()中成功拯救自己——只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可，譬如把自己 （this关键字）赋值给某个类变量或者对象的成员变量，那在第二次标记时它就”逃过一劫“；但是如果没有抓住这个机会，那么对象就真的要被回收了。

参考：

【1】：周志朋编著《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》

【2】：周志朋等翻译《Java虚拟机规范》

【3】：封亚飞编著《揭秘Java虚拟机 JVM设计原理与实现》

【4】：JVM垃圾回收引用计数法和根搜索算法图解

【5】：Java四种引用---强、软、弱、虚的知识点总结