Java 入门指南：JVM（Java虚拟机）垃圾回收机制 —— 死亡对象判断方法

文章目录

• • 垃圾回收机制
  • 死亡对象判断方法
  • • 引用计数法
    • 可达性分析算法
    • • [可以作为 GC Roots 的对象](#可以作为 GC Roots 的对象)
      • 判断对象被回收需要经历的过程
    • 引用类型
    • • 引用汇总
      • 引用队列
    • 废弃常量
    • • 判定废弃常量
      • 废弃原因
      • 遵循原则
    • 无用的类
    • • 所需条件
      • 造成的问题
      • 解决步骤

垃圾回收机制

垃圾回收 （Garbage Collection，GC），顾名思义就是释放垃圾占用的空间 ，当需要排查各种内存溢出问题、当垃圾收集成为系统达到更高并发的瓶颈时，我们就需要对这些"自动化"的技术实施必要的监控和调节。有效的使用可以使用的内存，对内存堆中已经死亡的或者长时间没有使用的对象进行清除和回收。

死亡对象判断方法

JVM（Java虚拟机）垃圾回收机制 ------ 内存分配和回收规则

堆中几乎放着所有的对象实例，对堆垃圾回收前的第一步就是要判断哪些对象已经死亡（即不能再被任何途径使用的对象）

引用计数法

给对象中添加一个引用计数器：

• 每当有一个地方引用它，计数器就加 1；
• 当引用失效，计数器就减 1；
• 任何时候计数器为 0 的对象就是不可能再被使用的。

这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间循环引用的问题。

所谓对象之间的相互引用问题：除了对象 objA 和 objB 相互引用着对方之外，这两个对象之间再无任何引用。但是他们因为互相引用对方，导致它们的引用计数器都不为 0，于是引用计数算法无法通知 GC 回收器回收他们

public class ReferenceCountingGc {
    Object instance = null;
    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGc objA = new ReferenceCountingGc();
        ReferenceCountingGc objB = new ReferenceCountingGc();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;
        objA = null;
        objB = null;
    }
}

可达性分析算法

该算法通过一系列的称为 "GC Roots" 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点所走过的路径称为引用链，当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连的话，则证明此对象是不可用的，需要被回收。

图片来源：JavaGuide

Object 6 ~ Object 10 之间虽有引用关系，但它们到 GC Roots 不可达，因此为需要被回收的对象

可以作为 GC Roots 的对象

• 虚拟机栈(栈帧中的局部变量表)中引用的对象

• 本地方法栈(Native 方法)中引用的对象

• 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

• 所有被同步锁持有的对象

• JNI（Java Native Interface）引用的对象

判断对象被回收需要经历的过程

可达性算法是一种通过判断对象是否可达来确定是否回收的方法。对象被判定为不可达时，并非意味着它们会立即被回收，而是在垃圾回收器执行回收操作时才会被释放。具体的回收时机和策略由垃圾回收器的实现决定

可达性算法中，判断对象是否被回收通常经历以下过程：

1. 根对象标记：垃圾回收器会从一组称为"根对象（GC Roots）"（如全局变量、活动线程的栈等）开始，标记所有从根对象可直接或间接访问到的对象。这些被标记的对象被认为是"可达"的，应该保留不被回收。

2. 遍历标记：垃圾回收器会逐个遍历可达对象，标记它们所引用的其他对象。这个过程是递归的：在找到一个对象并标记它后，继续查找并标记被该对象引用的其他对象，直到不再有新对象可访问。

3. 清理非标记对象：在标记阶段完成后，垃圾回收器会遍历堆内存中的所有对象。未被标记的对象被视为不可达，它们不再被任何可达对象引用或访问。垃圾回收器将这些非标记对象标记为垃圾，并将它们的内存释放出来。

4. 内存回收：垃圾回收器会执行垃圾回收操作，将被标记为垃圾的对象所占用的内存空间进行回收释放。这个过程通常是自动的，由垃圾回收器负责管理和执行。

引用类型

无论是通过引用计数法判断对象引用数量，还是通过可达性分析法判断对象的引用链是否可达，判定对象的存活都与"引用"有关。

JDK1.2 之前，Java 中引用的定义很传统：如果 reference 类型的数据存储的数值代表的是另一块内存的起始地址，就称这块内存代表一个引用。

JDK1.2 以后，Java 对引用的概念进行了扩充，将引用分为强引用、软引用、弱引用、虚引用 四种（引用强度逐渐减弱）

引用汇总

1．强引用（Strong Reference）

以前我们使用的大部分引用实际上都是强引用，这是使用最普遍的引用 。如果一个对象具有强引用，那就类似于必不可少的生活用品 ，垃圾回收器绝不会回收它。

当内存空间不足，Java 虚拟机宁愿抛出 OutOfMemoryError 错误，使程序异常终止，也不会靠随意回收具有强引用的对象来解决内存不足问题。

2．软引用（Soft Reference）

如果一个对象只具有软引用，那就类似于可有可无的生活用品 。如果内存空间足够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不足了，就会回收这些对象的内存

只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使用。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

软引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue）联合使用，如果软引用所引用的对象被垃圾回收，Java 虚拟机就会把这个软引用加入到与之关联的引用队列中。

3．弱引用（Weak Reference）

如果一个对象只具有弱引用，那就类似于可有可无的生活用品。

弱引用与软引用的区别在于：只具有弱引用的对象拥有更短暂的生命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，一旦发现了只具有弱引用的对象，不管当前内存空间足够与否，都会回收它的内存。

由于垃圾回收器是一个优先级很低的线程， 因此不一定会很快发现那些只具有弱引用的对象。

弱引用可以和一个引用队列（ReferenceQueue） 联合使用，如果弱引用所引用的对象被垃圾回收，Java 虚拟机就会把这个弱引用加入到与之关联的引用队列中。

4．虚引用（Phantom Reference）

"虚引用"顾名思义，就是形同虚设，与其他几种引用都不同，虚引用并不会决定对象的生命周期。如果一个对象仅持有虚引用，那么它就和没有任何引用一样，在任何时候都可能被垃圾回收。

虚引用主要用来跟踪对象被垃圾回收的活动。

虚引用与软引用和弱引用的一个区别在于： 虚引用必须和引用队列联合使用。当垃圾回收器准备回收一个对象时，如果发现它还有虚引用，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引用加入到与之关联的引用队列中。

程序可以通过判断引用队列中是否已经加入了虚引用，来了解被引用的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引用已经被加入到引用队列，那么就可以在所引用的对象的内存被回收之前采取必要的行动。

特别注意，在程序设计中一般很少使用弱引用与虚引用

使用软引用的情况较多，软引用可以加速 JVM 对垃圾内存的回收速度，可以维护系统的运行安全，防止内存溢出（OutOfMemory）等问题的产生。

引用队列

引用队列（Reference Queue） 是 Java 中用于管理对象引用的特殊队列。它与垃圾回收（Garbage Collection）机制密切相关，用于跟踪和处理被垃圾回收器回收的对象。

当对象被垃圾回收器标记为可回收时，它可能会被加入到引用队列中。通过监视引用队列，我们可以了解对象何时被回收，并进行相应的处理操作。

当一个对象的引用类型存在于引用队列中时，我们可以使用 poll() 方法或 remove() 方法从引用队列中获取对应的引用对象。这样，我们就可以得知某个对象何时被垃圾回收器回收了，并进行一些相关的处理工作，比如资源释放、记录日志等。

引用队列在某些场景下非常有用，比如内存敏感的缓存系统、对象终结（Finalization）等。但是需要注意，使用引用队列需要小心处理，避免导致内存泄漏或引起性能问题。

废弃常量

运行时常量池主要回收的是废弃的常量。

• JDK1.7 之前运行时常量池逻辑包含字符串常量池存放在方法区，此时 hotspot 虚拟机对方法区的实现为永久代

• JDK1.7 字符串常量池被从方法区拿到了堆中，这里没有提到运行时常量池，也就是说字符串常量池被单独拿到堆，运行时常量池剩下的东西还在方法区，也就是 hotspot 中的永久代 。

• JDK1.8 hotspot 移除了永久代用元空间(Metaspace)取而代之，这时候字符串常量池还在堆，运行时常量池还在方法区，只不过方法区的实现从永久代变成了元空间(Metaspace)

相关知识补充：Java 入门指南：JVM(Java虚拟机) ------ Java 内存运行时的数据区域

废弃常量（Deprecated Constants）是指在编程语言或库的API中标记为过时或不推荐使用的常量。它们通常是为了提醒开发者不要再依赖或使用这些常量，并鼓励使用新的替代方案。

假如在字符串常量池中存在字符串 "abc"，如果当前没有任何 String 对象引用该字符串常量的话，就说明常量 "abc" 就是废弃常量，这时发生内存回收的话而且有必要的话，"abc" 就会被系统清理出常量池了。

在Java中，使用@Deprecated注解可以将常量标记为废弃。

public class Constants { 
	@Deprecated 
	public static final int OLD_CONSTANT = 100; 
	public static final int NEW_CONSTANT = 200; 
	// ... 
	}
// 当其他代码中引用此废弃常量时，会收到编译器的警告，以提醒开发者不再使用该常量。

判定废弃常量

要判定一个常量是否被标记为废弃（Deprecated），可以通过以下步骤进行：

1. 查看文档或注释：首先，查看常量的文档或注释，看是否有明确的说明该常量已被废弃。通常，废弃的常量会在文档或注释中标记为废弃，并给出了推荐的替代方案。

2. 阅读源代码 ：如果没有明确的文档或注释，可以查看常量所在类的源代码。在常量的定义处，通常使用 @Deprecated 注解将废弃常量标记为废弃。在 Java 中，使用了 @Deprecated 注解的常量会在编译时发出警告。

3. IDE 提示：在使用现代集成开发环境（IDE）时，常量的废弃状态通常会得到特殊标记或提示。IDE 可能会在代码中给出警告，提示开发者一个常量已被废弃

如果经过以上步骤确认一个常量被标记为废弃，那么开发者应该遵循推荐的做法，并尽量避免使用该废弃常量。替代方案往往会在文档或注释中提到，开发者可以根据推荐的替代方案进行调整和更新代码。

废弃原因

标记常量为废弃的原因可以包括：

• 常量已不再符合设计或功能要求。
• 常量存在安全风险或潜在问题，不推荐使用。
• 常量已被更好的替代方案取代，推荐使用新的常量。

遵循原则

开发者在使用废弃常量时应该考虑遵循：

• 尽量避免使用废弃常量，推荐使用替代的、非废弃的常量。
• 如果必须使用废弃常量，开发者应该了解其存在的问题和风险，并确保理解和处理这些问题。
• 废弃常量可能在未来的版本中被移除，因此开发者应该及时更新代码，以避免依赖于已移除的常量。

无用的类

无用的类（Unused Classes） 是指在代码中存在但没有被使用或引用的类。这些类可能是代码重构、功能删除或其他变更导致的残留代码。

所需条件

类需要同时满足下面 3 个条件才能算是 无用的类：

• 该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。

• 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。

• 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述 3 个条件的无用类进行回收，这里说的仅仅是可以，而并不是和对象一样不使用了就会必然被回收

造成的问题

在开发过程中，存在无用的类可能会造成一些问题：

1. 内存占用：无用的类会占用内存空间，增加应用程序的内存消耗。

2. 代码冗余：无用的类会增加代码库的大小，导致代码冗余。

3. 可读性下降：存在无用的类会使代码库变得混乱和不易维护。

解决步骤

解决无用类的问题，可以采取以下几个步骤：

1. 代码评审：定期进行代码评审，识别和删除未使用的类。
2. 搜索引擎工具 ：使用搜索引擎工具（如IDE中的Find Usages）来检查类的引用情况，找出未被引用的类。
3. 构建工具插件 ：使用一些构建工具插件 （如ProGuard、Unused、UCDetector等），它们可以帮助 自动检测和删除未使用的类。
4. 清理过程：在代码库中进行定期的清理过程，包括删除未使用的类和其他无效代码。

在删除无用的类之前，应该先进行彻底的测试确保没有任何功能受到影响。一些类可能在特定的场景或条件下使用到，并且可能不容易通过简单的搜索来识别。

修复和删除无用的类有助于提高代码质量、减少资源浪费和简化维护工作。但同时也要谨慎操作，确保不会意外删除有用的类。