垃圾回收相關算法

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這裏介紹的垃圾回收相關算法，主要解決的問題：

判斷哪些內存是垃圾（需要回收的）？

常用的兩種算法：

  • 引用計數
  • 可達性分析（GC Root）

首先介紹算法前，得定義：

如何判斷一個對象的死亡？

我們一般這樣定義：當一個對象不再被任何存活的對象繼續引用的時候，這個對象就死亡了。

引用計數

引用計數算法，是給每一個對象添加一個計數器，當有對象引用它的時候，計數器+1，當有對象取消對它的引用時，計數就會-1。

當計數器的值為 0 時，即說明沒有對象引用它，也就是這個對象死亡了。

這種算法很簡單，但是有個重大缺陷，那就是無法解決循環引用的問題。

什麼是循環引用問題呢？

比如對象A 引用 對象B，對象B 引用 對象A，那麼 對象A 和 對象B 的計數器都為1。但是如果後續的運行環境再也用不到對象A 和 對象B，那麼就造成了內存泄漏。

上圖就是循環引用的例子。對象引用 Obj1 和 Obj2 在棧中，然後分別指向在堆中的具體實例。然後兩個相互實例中的成員互相引用。那麼對於堆中的對象而言，就有2個引用。一個是來自Obj1，一個來自堆對象的另一方。

如果，現在將 Obj1 指向 nu l l，那麼就如下圖：

這個時候，引用已經不可用了，但是堆中的對象仍然相互引用，他們的計數器不為0，所以無法死亡。

但是，Java 沒有使用這種算法，而是使用了我們後面說的可達性算法，所以接下來的演示，GC 會將這種情況的內存給其清理。

package GC;

public class ReferenceCountGC {
    public Object instance = null;

    private static final int _1MB = 1024 * 1024;
    // 每個對象中包含2M的成員，方便觀察
    private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];
    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountGC objA = new ReferenceCountGC();
        ReferenceCountGC objB = new ReferenceCountGC();
        objA.instance = objB.instance;
        objB.instance = objA.instance;

        //取消對對象的引用
        objA = null;
        objB = null;
      // 是否進行垃圾回收
        System.gc();
    }
}

這段代碼實現的就是上面圖片所描述的情況。

首先，我們將 System.gc() 註釋掉，也就是我們在默認情況下，不去觸發垃圾回收。並在運行的時候，添加參數 -XX:+PrintGCDetails。我們觀察輸出結果

可以看到，這個時候，佔用的空間為8M左右。

如果我們取消註釋，也就是主動去調用垃圾回收器，那麼運行結果為：

佔用空間為2M左右。

可以看出來，Java 的垃圾回收，並非採用我們上面介紹的引用計數方式。

可達性分析

可達性算法，還有一系列的別名：根搜索算法，追蹤性垃圾收集，GC Root。

之後，看到原理，其實這些別名都是描述原理的。

首先，我們選取一些對象，這些對象是存活的，也被稱為 GC Roots，然後根據這些對象的引用關係，凡是直接或者間接跟 GC Roots 相關聯的對象，都是存活的。就像圖中的連通性判斷一樣。

這個算法的想法不難。難的是，如何確定 GC Roots。

我們考慮，我們什麼時候需要用到對象？（我們需要對象的時候，肯定需要這個對象是存活的）

  • 棧中保存着，我們當前或者之後需要運行的方法及相關參數，所以，棧上所引用的堆中對象肯定是存活的。
  • 類中的一些屬性，比如，靜態屬性，因為它不依賴於具體的類
  • 一些常用的對象，以免清理后，又要重複加載，比如常用的異常對象，基本數據類型對應的 Class 對象。

除此之外，還有很多零零碎碎的。

在堆結構周圍的一些結構，其中引用的對象可以作為GC Roots

具體 GC Roots 可以概括為：

  • 虛擬機棧上（確切的說，是棧幀上的本地變量表）所引用的對象

  • 本地方法棧引用的對象

  • 方法區中的靜態屬性，常量引用

  • Java 虛擬機的內部引用，常用數據類型的 Class 對象，常駐的異常對象，系統類加載器

  • 所有被同步鎖持有的對象

除此之外，還有一些臨時的 GC Roots 可以加入進來。這裏涉及到新生代老年代。

比如老年代中的對象一般都存活時間比較久，也就是大概率是活着的對象，也可臨時作為 GC Roots。

可達性算法的一些細節

前面說了可達性算法，我們根據 GC Roots 來進行標記對象的死活。

但是，被判定為不可達的對象，並不立刻死亡。它仍然有次機會進行自救。

這個自救的機會，是需要重寫 finalize（）進行自救。

也就是可達性算法的邏輯大致是這樣的：

  • 第一次進行標記，凡是不可達 GC Roots 的對象，都暫時判定為死亡，只是暫時
  • 檢查暫時被判定為死亡對象，檢查是否有重寫 finalize（）方法，如果有，則觸發，對象可以在裏面完成自救。

如果沒有自救成功 或者 沒有重寫 finalize（）方法，則宣告這個對象的死亡。

除此之外，這個對象中的 finalize（）方法，只能被調用一次，一生只有一次自救機會。

這個方法，官方並不推薦，所以不必細究。

接下來，演示下上面的兩次標記過程以及自救過程。

（個人認為，《深入理解 Java 虛擬機》中的此章節代碼，略有點不夠完善，故略微改動）

package GC;

import javax.swing.tree.VariableHeightLayoutCache;

public class FinalizeEscapeGC {
    public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;

    private byte[] bigSize = new byte[5*1024*1024];

    public void isAlive(){
        System.out.println("Yes, i am 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 InterruptedException {
        SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();
        SAVE_HOOK = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500);
        if(SAVE_HOOK != null){
            SAVE_HOOK.isAlive();
            System.gc();
        }else {
            System.out.println("Dead");
            System.gc();
        }
    }
}

在這個程序中，我們給這個類，添加名為 bigSize 的屬性，其佔用 4M 大小的空間。

大致分析下代碼邏輯：

  • 創建了一個對象，其中有成員佔用 4M 的空間
  • 取消對這個對象的引用
  • 調用垃圾回收（第一次標記）
  • 調用 finalize 方法進行自救
  • 之後再次調用垃圾回收（第二次標記）

所以演示的時候，分為兩種情況：

  • FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this; 未註釋，完成自救

運行時，參數仍然設置為 +XX:PrintGCDetails，可以看到輸出結果：

第一次調用垃圾回收，仍然佔用 5M，說明此時即便失去引用，但是仍然未被清理。

在 finalize（）中完成自救后，第二次調用垃圾回收的時候，仍然佔用 5M 的內存大小。說明自救成功。

  • FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this; 註釋，無法完成自救

第一次垃圾回收，佔用 5M，保留了對象。無法完成自救，然後第二次被清理掉。

所以我發現以下錶述也許更為確切：

  • 當對象重寫了 finalize（）方法的時候，第一次垃圾回收的時候，如果為不可達對象，對其進行暫緩，並不清理。
  • 當對象沒有重寫 finalize（）方法的時候，且為不可達對象的時候，直接判定死亡。

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