【JVM笔记】引用计数算法与可达性分析算法

目录

什么是垃圾

为什么需要GC

对象存活判断

引用计数算法

可达性分析算法

GC Roots

注意

---

什么是垃圾

垃圾是指在运行程序中没有任何指针指向的对象，这个对象就是需要被回收的垃圾

如果不及时对内存中的垃圾进行清理，那么，这些垃圾对象所占的内存空间会一直保留到应用程序结束，被保留的空间无法被其他对象使用，甚至可能导致内存溢出

为什么需要GC

对于高级语言来说，一个基本认知是如果不进行垃圾回收，内存迟早都会被消耗完，因为不断地分配内存空间而不进行回收，就好像不停地生产生活垃圾而从来不打扫一样

除了释放没用的对象，垃圾回收也可以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

随着应用程序所应付的业务越来越庞大、复杂，用户越来越多，没有 GC 就不能保证应用程序的正常进行。而经常造成 STW 的 GC 又跟不上实际的需求，所以才会不断地尝试对 GC 进行优化

对象存活判断

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，因此这个过程我们可以称为垃圾标记阶段

那么在 JVM 中究竟是如何标记一个死亡对象呢？简单来说，当一个对象已经不再被任何的存活对象继续引用时，就可以宣判为已经死亡

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

引用计数算法

引用计数算法（Reference Counting）比较简单，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。只要对象 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

优点：实现简单，垃圾对象便于辨识；判定效率高，回收没有延迟性

缺点：

它需要单独的字段存储计数器，这样的做法增加了存储空间的开销

每次赋值都需要更新计数器，伴随着加法和减法操作，这增加了时间开销

引用计数器有一个严重的问题，即无法处理循环引用的情况。这是一条致命缺陷，导致在 Java 的垃圾回收器中没有使用这类算法

可达性分析算法

相对于引用计数算法而言，可达性分析算法不仅同样具备实现简单和执行高效等特点，更重要的是该算法可以有效地解决在引用计数算法中循环引用的问题，防止内存泄漏的发生

相较于引用计数算法，这里的可达性分析就是 Java、C# 选择的。这种类型的垃圾收集通常也叫作追踪性垃圾收集（Tracing Garbage Collection）

所谓 "GC Roots" 根集合就是一组必须活跃的引用

可达性分析算法是以根对象集合（GC Roots) 为起始点，按照从上至下的方式搜索被根对象集合所连接的目标对象是否可达

使用可达性分析算法后，内存中的存活对象都会被根对象集合直接或间接连接着，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain）

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

GC Roots

在 Java 语言中，GC Roots 包括以下几类元素：

虛拟机栈中引用的对象

比如：各个线程被调用的方法中使用到的参数、局部变量等

本地方法栈内 JNI（通常说的本地方法）引用的对象

方法区中类静态属性引用的对象

比如: Java类的引用类型静态变量

方法区中常量引用的对象

比如：字符串常量池（String Table）里的引用

所有被同步锁 synchronized 持有的对象

Java 虚拟机内部的引用

基本数据类型对应的Class对象，一些常驻的异常对象（如：NullPointerException、OutOfMemoryError），系统类加载器

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

除了这些固定的 GC Roots 集合以外，根据用户所选用的垃圾收集器以及当前回收的内存区域不同，还可以有其他对象 “临时性” 地加入，共同构成完整 GC Roots 集合。比如：分代收集和局部回收（Partial GC）

如果只针对 Java 堆中的某一块区域进行垃圾回收（比如：典型的只针对新生代），必须考虑到内存区域是虚拟机自己的实现细节，更不是孤立封闭的，这个区域的对象完全有可能被其他区域的对象所引用，这时候就需要一并将关联的区域对象也加入 GC Roots 集合中去考虑，才能保证可达性分析的准确性

由于 Root 采用栈方式存放变量和指针，所以如果一个指针，它保存了堆内存里面的对象，但是自己又不存放在堆内存里面，那它就是一个Root

注意

如果要使用可达性分析算法来判断内存是否可回收，那么分析工作必须在一个能保障一致性的快照中进行，这点不满足的话分析结果的准确性就无法保证

这点也是导致 GC 进行时必须 "Stop The World" 的一个重要原因

即使是号称（几乎）不会发生停顿的 CMS 收集器中，枚举根节点时也是必须要停顿的