可达性分析法（根搜索算法）完整详解

一、定义

可达性分析（Reachability Analysis） 是 Java 虚拟机判断堆中对象是否存活的核心算法 ，用来区分存活对象与垃圾对象，为 GC 回收做标记。 核心思路： 以一组特殊起点 GC Roots（根对象） 为源头，顺着引用链向下遍历所有被引用的对象；

• 能通过引用链连接到 GC Roots → 可达，存活，不能回收
• 没有任何引用链连通 GC Roots → 不可达，判定为垃圾，可回收

二、为什么不用「引用计数法」？

早期语言用引用计数（对象被引用 + 1，引用失效 - 1，计数 0 则回收），但有致命缺陷：无法解决循环引用。 示例循环引用：

java

运行

Object a = new Object();
Object b = new Object();
a = b;
b = a;
a = null;
b = null;

• 引用计数法：a、b 互相引用，计数永远不为 0，内存泄漏；
• 可达性分析法：a、b 和 GC Roots 无通路，判定为垃圾正常回收。

三、GC Roots 有哪些（面试必背 6 大类）

GC Roots 是程序运行时一定存活的对象，作为遍历起点：

1. 虚拟机栈（栈帧本地变量表）引用的对象 方法局部变量、方法参数；方法执行时栈帧存在，对象存活；方法执行完毕栈帧弹出，引用链断开。

   java

   运行

   public void test(){
       User u = new User(); // u是栈局部变量，User对象是GC Roots可达
   }

2. 方法区中静态变量引用的对象 static修饰的类成员，只要类未卸载，对象一直可达。

   java

   运行

   class Demo{
       static User user = new User(); // 静态引用，GC Root
   }

3. 方法区常量池引用的对象 字符串常量池、运行时常量池中的常量对象。

4. 本地方法栈（Native JNI）引用的对象 C/C++ 本地方法通过 JNI 引用的 Java 对象。

5. JVM 内部自带引用对象 Class 对象、常驻异常、系统类加载器。

6. 被synchronized同步锁持有对象 正在执行同步代码块、持有锁的对象。

四、完整执行流程

1. STW（Stop-The-World）暂停所有用户线程 必须冻结业务线程，防止遍历过程中对象引用被修改，保证引用链快照一致性。
2. 标记 GC Roots，识别所有根对象。
3. 深度 / 广度优先遍历对象图 从 GC Roots 出发，逐层标记所有直接、间接引用的存活对象（三色标记实现）。
4. 遍历结束后 ：
   • 被标记：存活，保留；
   • 未被标记（白色对象）：不可达垃圾，后续执行清除。

五、底层实现：三色标记法

可达性分析遍历对象时，将对象分为 3 种颜色，简化标记逻辑、支持并发标记：

1. 白色：初始状态，未扫描；遍历结束仍为白色 = 垃圾。
2. 灰色 ：已扫描到当前对象，但该对象内部引用的子对象还未全部扫描。
3. 黑色：当前对象已扫描，且它所有引用的子对象全部标记完成，完全存活。

遍历流程：GC Roots 先标记为灰色，循环取出灰色对象扫描，子对象变白→灰，父对象变黑色，直到无灰色对象。

六、优缺点

优点

1. 彻底解决循环引用内存泄漏问题；
2. 逻辑清晰，适配分代收集、CMS/G1/ZGC 等主流垃圾收集器。

缺点

1. 基础标记阶段需要 STW，会造成业务线程停顿；
2. 并发标记场景会出现漏标、多标问题（通过读写屏障解决）。

七、高频面试问答

1. 可达性分析与引用计数的核心区别？

• 引用计数：靠计数器判断，无法处理循环引用，无 STW；
• 可达性分析：靠 GC Roots 引用链判断，解决循环引用，基础标记阶段需要 STW。

2. 局部变量、静态变量为什么能作为 GC Roots？

局部变量存于虚拟机栈，线程执行时栈帧不会销毁；静态变量绑定类，类生命周期贯穿程序运行，二者天然是程序活跃引用，作为遍历起点。

3. 对象不可达后会立刻被回收吗？

不会。对象被判定不可达后，会进入两次标记流程：

1. 第一次标记：筛选重写了finalize()方法的对象；
2. 放入 F-Queue 队列，由低优先级线程执行finalize()；若在 finalize 中重新建立 GC Roots 引用链，可自救存活；
3. 第二次标记：finalize 执行完毕后，无引用链则真正回收。