引用计数 vs 根可达算法：深入比较对象存活判定

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前言

在 Java 中，判定对象是否存活指的是哪些不再被程序所引用，也无法通过任何方式访问的对象；具体来说，当一个对象不再被任何活动线程所引用，并且没有被其他对象所引用时，它就被认为是 “死亡” 对象；“死亡” 对象占用内存空间但不再有任何实际的用途，因此需要通过垃圾收集机制将其从内存中释放，以便重新利用内存资源；Java 垃圾收集机制会自动识别、回收这些 “死亡” 对象，无需程序员手动管理内存释放的过程

什么是垃圾？

没有引用指向或根对象不可达的引用对象，被称之为垃圾

Java 与 C++ 对垃圾的处理方式有所不同，如下：

Java：自动回收垃圾，由 GC 回收机制去自动回收，开发效率高，执行效率低
C++：手动处理垃圾，若忘记回收时，容易发生内存泄漏，回收多次，会出现非法访问问题，一般手动回收的代码（delete）会写在析构函数中；开发效率低，执行效率高

如何定位垃圾

在堆里面存放着 Java 世界中几乎所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，第一件事情就是要确定这些对象哪些还 “存活” 着，哪些对象已经 “死亡” 了

引用计数算法

引用计数算法（Reference Counting）：在对象中添加一个引用计数器，每当有一个其他对象引用它时，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

引用指向一个对象，在它脑袋上写一个数字，有几个对象指向它就在它脑袋上写一个几，当这个数字变为 0 时，就说明没有任何对象指向它，即为 “垃圾”

在 Java 领域中，至少主流的 Java 虚拟机都没有选用引用计数算法来管理内存，主要原因：一个看似很简单的算法有很多例外情况要考虑，必须要配合大量额外处理才能正确地工作

譬如单纯的引用计数算法就很难解决对象之间相互引用的问题，例如：A->B、B->A，A、B 计数器的值都为 1，所以在当前算法来说不是垃圾，但从此看来，没有其他的引用会使用到它们，按理来说这几个都应该是为 “垃圾”

以上会出现的对象之间互相引用问题，通过代码来演示，看 Java JVM 中是否使用到了引用计数算法来回收垃圾，如下：

/**
 * @author vnjohn
 * @since 2023/6/29
 */
public class ReferenceCountingGC {
    public Object instance = null;

    private byte[] bigSize = new byte[2 * 1024 * 1024];

    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;

        objA = null;
        objB = null;

        System.gc();
    }
}

调整 JVM Options 参数，增加打印 GC 回收详情信息，如下：

# 打印 GC 回收时间、GC 回收详情
-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDetails

控制台打印结果如下：

0.107: [GC (System.gc()) [PSYoungGen: 6717K->608K(76288K)] 6717K->616K(251392K), 0.0044845 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.112: [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 608K->0K(76288K)] [ParOldGen: 8K->378K(175104K)] 616K->378K(251392K), [Metaspace: 3100K->3100K(1056768K)], 0.0026966 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 76288K, used 3277K [0x000000076ab00000, 0x0000000770000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 65536K, 5% used [0x000000076ab00000,0x000000076ae334d8,0x000000076eb00000)
  from space 10752K, 0% used [0x000000076eb00000,0x000000076eb00000,0x000000076f580000)
  to   space 10752K, 0% used [0x000000076f580000,0x000000076f580000,0x0000000770000000)
 ParOldGen       total 175104K, used 378K [0x00000006c0000000, 0x00000006cab00000, 0x000000076ab00000)
  object space 175104K, 0% used [0x00000006c0000000,0x00000006c005e9e8,0x00000006cab00000)
 Metaspace       used 3130K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 343K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

重点看前面两行日志信息

年轻代：0.107: [GC (System.gc()) [PSYoungGen: 6717K（回收前大小）->608K（回收后大小）(76288K)] 6717K->616K(251392K), 0.0044845 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs]
老年代：0.112: [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 608K（回收前大小）->0K（回收后大小）(76288K)] [ParOldGen: 8K->378K(175104K)] 616K->378K(251392K), [Metaspace: 3100K->3100K(1056768K)], 0.0026966 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]

以上标注黄色背景的日志内容，可以看出 Java 虚拟机并没有因为这两个对象循环引用而放弃回收它们，这也从侧面说明了 Java 虚拟机并不是通过引用计数算法来判断对象是否存活的

JDK 8 默认使用的垃圾收集器：Parallel Scavenge、Parallel Old
Java中常见的垃圾收集器，如：Serial、Parallel、CMS、G1 等，并不使用引用计数算法，而是采用基于可达性分析的算法来进行垃圾回收，这个也是后面要讲到的算法

可达性分析算法

可达性分析算法（Reachability Analysis）：它是一个更广泛的概念，它是一类以可达性作为判断对象是否存活基础的算法，除了根可达算法外，还有其他的可达性分析算法，如：可达性分析与复制算法、可达性分析与标记-清除算法等

根可达算法是可达性分析算法中的一种具体实现方式，根可达算法是从一组称为 “GC Roots” 根对象开始，通过引用关系向下搜索，搜索过程所走过的过程称为 “引用链”；若某个对象到 GC Roots 间没有任何引用链相连或者用图论的方式来说就是从 GC Roots 到这个对象不可达时，则证明此对象是不可能再被使用的

如上图，在 Java 技术体系中，固定可作为 GC Roots 对象包括以下几种：

1. 线程栈变量：在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，譬如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等

比如：main 方法主线程开始运行，主线程栈中变量调用了其他的方法，主线程栈中的方法访问到的对象叫根对象

2. 静态变量：在方法区类静态属性引用的对象，譬如 Java 类引用类型的静态变量

静态变量初始化，能够访问到的对象称之为根对象

3. 常量池：在方法区中常量引用的对象，譬如字符串常量池（String Constant Pool）里面的引用

若一个 class 能够用到其他的 class 对象称之为根对象

4. JNI 指针：在本地方法栈中 JNI（Java Native Interface）方法引用的对象
5. 基础数据类型 Class 对象：Java 虚拟机内部的引用，如 int 类型对应 Class 对象是 Integer.TYPE 或 int.class、long 类型对应 Class 对象是 Long.TYPE 或 long.class
6. 常驻异常对象：Java 虚拟机内部的引用，如 NullPointException、OutOfMemoryError
7. 系统类加载器
8. 同步锁持有对象：被同步锁 synchronized 持有的对象

GC Roots 是垃圾收集器判断对象是否存活的起点，不同的垃圾收集器会根据 GC Roots 选择合适的垃圾回收算法来进行垃圾回收、内存管理，它们的共同协作以确保内存的有效利用和程序的正常执行

常见的垃圾回收算法：复制（Copying）算法、标记-清除 （Mark-Sweep）算法、标记-整理（Mark-Compact）算法

至于很多人说还有分代算法，在我看来，分代模型应该是最准确的说法，分代算法不是指具体的一种算法，而是一种垃圾回收的策略或模型

由于对象的生命周期大部分是朝生夕死的，只有少数对象是长期存活的，基于此，垃圾收集器将堆内存划分为不同的代，分代模型将堆内存主要划分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）

G1 垃圾收集器逻辑分代，物理不分代

ZGC、Shenandoah 垃圾收集器没有物理分代，也没有逻辑分代

其他的垃圾收集器一般要么作用于新生代要么作用于老年代，例如：Parallel Scavenge-新生代、Parallel Old-老年代

关于垃圾回收算法、垃圾收集器后续文章见分晓，这里不过多展开～

总结

该篇博文讲解判定对象是否存活的条件通过什么方式去做的，引用计数器算法、根可达算法，在引用计数器算法中，通过简单的案例来演示在 Java 程序中并未通过该算法来判定对象是否存活，而是通过根可达算法去作判别的，罗列了 Java GC Roots 不同的种类，简要阐述了为下文作铺垫的垃圾回收算法、垃圾收集器，希望能先带你一起了解这方面的前置知识！

参考文献：《深入理解 Java 虚拟机》周志明著

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