JVM 垃圾回收机制：可达性分析算法详解

JVM 垃圾回收机制：可达性分析算法详解

虽然方法区也有 GC，但条件更为苛刻（如所有实例被回收、ClassLoader 被回收等），本文主要讲解堆内存。

可达性分析算法

垃圾收集器通常采用可达性分析算法。其核心规则是：如果某个对象没有通过引用链连接到 GC Roots，则表明该对象不可达，会被判定为可回收对象。

GC Roots 是一个数据结构，包含多种引用类型。例如，在方法中 new 出来的对象会被强引用连接。

根据 JVM 内存区域的分配，new Student() 是在 Java 堆中开辟了一块空间用于存放对象数据。Java 中虽取消了显式指针，但变量本质上起到了指针的作用。如果将变量设置为 null，代表将引用指向的位置断开，此时 Java 堆中的对象就会被可达性算法检测为'GC Roots 到该对象不可达'。

finalize 方法

finalize 是所有类中都存在的一个方法，它只有在 GC 过程中会被触发使用，而且只会被使用一次，并且已被官方弃用。

书中提到：它并不能等同于 C 和 C++ 语言中的析构函数，而是 Java 刚诞生时为了使传统 C/C++ 程序员更容易接受 Java 所做出的一项妥协。它的运行代价高昂、不确定性大、无法保证各个对象的调用顺序，如今已被官方明确声明为不推荐使用的语法。

在 Java 源码中也如是说到：子类重写 finalize 方法以处置系统资源或执行其他清理。finalize 的一般约定是：如果 Java 虚拟机确定任何尚未死亡的线程都无法再访问此对象（没被 GC Roots 引用连接），则调用 finalize。

除非是由于其他已准备就绪的对象或类的 finalize 所采取的行动。finalize 方法可以采取任何行动，包括使此对象再次可用于其他线程；这句话的核心是解释 finalize 方法的一个关键特性：对象可以在自己的 finalize 方法中'复活'自己，或者复活其他对象。

然而，finalize 的通常目的是在对象被不可撤销地丢弃之前执行清理操作。例如，表示输入/输出连接的对象的 finalize 方法可能会在对象被永久丢弃之前执行显式 I/O 事务以断开连接。

Java 虚拟机对任何给定对象调用 finalize 方法的次数都不会超过一次。

使用 finalize 可能会导致安全性、性能和可靠性方面的问题。其中虚拟机并不承诺 finalize 的内容会被执行完成，如果一个对象的 finalize 方法执行非常缓慢，或者发生了死循环（例如 while(true)），将导致 F-Queue 队列一直堆积，最终可能导致整个内存回收子系统崩溃，甚至 OOM（内存溢出）。

两次标记

当满足以下两种需求时，才会触发两次标记（如果 finalize 没被重写，那么在第一次 GC 标记后就会直接给对象空间清除了）：

• Java 堆中的对象不被 GC Roots 引用连接
• finalize 被重写

第一次标记

• Step 1（可达性分析）： 发现对象不可达。
• Step 2（第一次标记/筛选）： 判断该对象是否有必要执行 finalize() 方法。
  • 如果对象没有覆盖 finalize() 方法，或者 finalize() 已经被虚拟机调用过，那么虚拟机视为'没有必要执行'。—— 这种情况下，对象直接被判定为'死亡'，等待回收，不会进入 F-Queue。
  • 只有'有必要执行'的对象，才会被放入 F-Queue。

接下来会由虚拟机自动建立的、低调度优先级的 Finalizer 线程去调用队列中对象的 finalize 方法，对象如果在 finalize 中将自己赋值给一个变量（即赋值给 GC Roots 中的一个对象）。

第二次标记

第二次标记所做的事情是看队列中的对象是否自救成功。

当对象自救后，垃圾处理器在进行二次标记处理时就会发现该对象还存在引用，则会取消对其的空间释放。

public class Zombie {
    static Zombie savedInstance;
    // 一个存活的静态引用
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        System.out.println("Finalize called!");
        savedInstance = this; // 关键行动：将即将被销毁的当前对象赋给静态变量
                              // 对象现在'复活'了！
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Zombie z = new Zombie();
        z = null; // 删除唯一引用，z 变得不可达
                  // 建议 GC，第一次
        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
        if (savedInstance != null) {
            System.out.println("Zombie object is alive!");
        } else {
            System.out.println("Zombie object is dead.");
        }
        // 再次尝试回收（注意：一个对象的 finalize 最多被 JVM 调用一次）
        savedInstance = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("Process finished.");
    }
}

从上面的两次标记过程我们不难发现，标记实际也可以被称为处理，但是只有当 finalize 被重写后的对象才存在两次标记。

比喻

想象这是一个超级大的，人人自危的修仙世界：

• GC Roots - 各个宗门，它会根据你的作用来决定你是否是'宗门弟子'（GC Roots 引用）
• Java 堆 - 存在洪荒野兽的修仙世界
• 垃圾收集器 - 一个规则怪兽，某个时间中，他会杀死所有没被宗门庇护的修仙者
• finalize 方法 - 修仙者的'保命符'，可能是能让修仙者直接成为某个宗门的弟子，（但是只能使用一次）