Java虛擬機（三）垃圾標記算法與Java對象的生命週期

時間 2019-11-17

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前言

這一節咱們來簡單的介紹垃圾收集器，並學習垃圾標記的算法：引用計數算法和根搜索算法，爲了更好的理解根搜索算法，會在文章的最後介紹Java對象在虛擬機中的生命週期。html

1.垃圾收集器概述

垃圾收集器（Garbage Collection），一般被稱做GC。提到GC，不少人認爲它是伴隨Java而出現的，其實GC出現的時間要比Java早太多了，它是1960誕生於MIT的Lisp。
GC主要作了兩個工做，一個是內存的劃分和分配，一個是對垃圾進行回收。關於內存的劃分和分配，目前Java虛擬機內存的劃分是依賴於GC的的設計的，好比如今GC都是採用了分代收集算法來回收垃圾，Java堆做爲GC主要管理的區域，被細分爲新生代和老年代，再細緻一點新生代又能夠劃分爲Eden空間、From Survivor空間、To Survivor空間等，這樣進行劃分是爲了更快的進行內存分配和回收。空間劃分後，GC就能夠爲新對象分配內存空間。
關於對垃圾進行回收，被引用的對象是存活的對象，而不被引用的對象是死亡的對象也就是垃圾，GC要區分出存活的對象和死亡的對象，也就是垃圾標記，並對垃圾進行回收。接下來咱們先來介紹垃圾標記算法。java

2.垃圾標記算法

在對垃圾進行回收前，GC要先標記出垃圾，那麼如何標記呢，目前有兩種垃圾標記算法，分別是引用計數算法和根搜索算法，這兩個算法都和引用有些關聯，所以講垃圾標記算法前，咱們先回顧下引用的知識。算法

引用

在JDK1.2以後，Java將引用分爲強引用、軟引用、弱引用和虛引用。性能優化

強引用：當咱們new一個對象時就是建立了一個具備強引用的對象，若是一個對象具備強引用，垃圾收集器就毫不會回收它。Java虛擬機寧願拋出OutOfMemoryError異常，使程序異常終止，也不會回收具備強引用的對象來解決內存不足的問題。
軟引用：若是一個對象只具備軟引用，當內存不夠時，會回收這些對象的內存，回收後若是仍是沒有足夠的內存，就會拋出OutOfMemoryError異常。Java提供了SoftReference類來實現軟引用。
弱引用：弱引用比起軟引用具備更短的生命週期，垃圾收集器一旦發現了只具備弱引用的對象，無論當前內存是否足夠，都會回收它的內存。Java提供了WeakReference類來實現弱引用。
虛引用：虛引用並不會決定對象的生命週期，若是一個對象僅持有虛引用，這就和沒有任何引用同樣，在任什麼時候候均可能被垃圾收集器回收。一個只具備虛引用的對象，被垃圾收集器回收時會收到一個系統通知，這也是虛引用的主要做用。Java提供了PhantomReference類來實現虛引用。

引用計數算法

引用計數算法的基本思想就是每一個對象都有一個引用計數器，當對象在某處被引用的時候，它的引用計數器就加1，引用失效時就減1。當引用計數器中的值變爲0，則該對象就不能被使用成了垃圾。
目前主流的Java虛擬機沒有選擇引用計數算法來爲垃圾標記，主要緣由是引用計數算法沒有解決對象之間相互循環引用的問題。
舉個例子，下面代碼的註釋1和註釋2處，d1和d2相互引用，除此以外這兩個對象無任何其餘引用，實際上這兩個對象已經死亡，應該做爲垃圾被回收，可是因爲這兩個對象互相引用，引用計數就不會爲0，垃圾收集器就沒法回收它們。微信

class _2MB_Data {
    public Object instance = null;
    private byte[] data = new byte[2 * 1024 * 1024];//用來佔內存，測試垃圾回收
}

public class ReferenceGC {
    public static void main(String[] args) {
        _2MB_Data d1 = new _2MB_Data();
        _2MB_Data d2 = new _2MB_Data();
        d1.instance = d2;//1
        d2.instance = d1;//2
        d1 = null;
        d2 = null;
        System.gc();
    }
}複製代碼

若是你使用Android Studio，就在Edit Configurations中的VM options加入以下語句來輸出詳細的GC日誌：jsp

-XX:+PrintGCDetails複製代碼

運行程序，GC日誌爲：
[GC (System.gc()) [PSYoungGen: 8028K->832K(76288K)] 8028K->840K(251392K), 0.0078334 secs] [Times: user=0.06 sys=0.00, real=0.01 secs]
[Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 832K->0K(76288K)] [ParOldGen: 8K->603K(175104K)] 840K->603K(251392K), [Metaspace: 3015K->3015K(1056768K)], 0.0045844 secs] [Times: user=0.00 sys=0.00, real=0.00 secs]
Heap
PSYoungGen total 76288K, used 1966K [0x000000076af80000, 0x0000000770480000, 0x00000007c0000000)
eden space 65536K, 3% used [0x000000076af80000,0x000000076b16bac0,0x000000076ef80000)
from space 10752K, 0% used [0x000000076ef80000,0x000000076ef80000,0x000000076fa00000)
to space 10752K, 0% used [0x000000076fa00000,0x000000076fa00000,0x0000000770480000)
ParOldGen total 175104K, used 603K [0x00000006c0e00000, 0x00000006cb900000, 0x000000076af80000)
object space 175104K, 0% used [0x00000006c0e00000,0x00000006c0e96d10,0x00000006cb900000)
Metaspace used 3046K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
class space used 334K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K性能

查看此GC日誌前咱們先來簡單瞭解下各參數的含義，[GC (System.gc()和[Full GC (System.gc()說明了此次垃圾收集的停頓類型，而不是來區分新生代GC和老年代GC的。 [Full GC (System.gc() 說明此次GC發生了STW，STW也就是Stop the World機制，意思是說在執行垃圾收集算法時，只有GC線程在運行，其餘的線程則會所有暫停，等待GC線程執行完畢後才能再次運行。
PSYoungGen表明新生代，ParOldGen表明老年代，Metaspace表明元空間（JDK 8中用來替代永久代PermGen）。
咱們來看日誌的[GC (System.gc())，內存變化爲：8028K->840K(251392K)，8028K表明回收前的內存大小，840K表明回收後的內存大小，251392K表明內存總大小。所以能夠得知內存回收大小爲（8028-840）K。這就說明JDK8的HotSpot虛擬機並無採用引用計數算法來標記內存，它對上述代碼中的兩個死亡對象的引用進行了回收。學習

根搜索算法

這個算法的基本思想就是選定一些對象做爲GC Roots，並組成根對象集合，而後從這些做爲GC Roots的對象做爲起始點，向下進行搜索，若是目標對象到GC Roots是鏈接着的，咱們則稱該目標對象是可達的，若是目標對象不可達則說明目標對象是能夠被回收的對象，以下圖所示。
測試

從上圖看以看出，Obj五、Obj6和Obj7都是不可達的對象，其中Obj5和Obj6雖然互相引用，可是由於他們到GC Roots是不可達的因此它們仍舊會斷定爲可回收的對象，這樣根搜索算法就解決了引用計數算法沒法解決的問題：已經死亡的對象由於相互引用而不能被回收。
在Java中，能夠做爲GC Roots的對象主要有如下幾種：

Java棧中的引用的對象。
本地方法棧中JNI引用的對象。
方法區中運行時常量池引用的對象。
方法區中靜態屬性引用的對象。
運行中的線程
由引導類加載器加載的對象
GC控制的對象

還有一個問題是被標記爲不可達的對象會當即被垃圾收集器回收嗎？要回答這個問題咱們首先要了解Java對象在虛擬機中的生命週期。

3.Java對象在虛擬機中的生命週期

當Java對象被類加載器加載到虛擬機中後，Java對象在Java虛擬機中有7個階段。
1.建立階段(Created)
建立階段的具體步驟爲：

爲對象分配存儲空間。
構造對象。
從超類到子類對static成員進行初始化。
遞歸調用超類的構造方法。
調用子類的構造方法。

2.應用階段(In Use)
當對象被建立，並分配給變量賦值，狀態就切換到了應用階段。
這一階段的對象至少要具備一個強引用，或者顯式的使用軟引用、弱引用或者虛引用。

3.不可見階段(Invisible)
程序中找不到對象的任何強引用，好比程序的執行已經超出了該對象的做用域。在不可見階段，對象仍可能被特殊的強引用GC Roots持有着，好比對象被本地方法棧中JNI引用或是被運行中的線程引用等。

4.不可達階段(Unreachable)
程序中找不到對象的任何強引用，而且垃圾收集器發現對象不可達。

5.收集階段(Collected)
垃圾收集器已經發現對象不可達，而且垃圾收集器已經準備好要對該對象的內存空間從新進行分配時。這個時候若是該對象重寫了finalize方法，則會調用該方法。

6.終結階段(Finalized)
當對象執行完finalize法後仍然處於不可達狀態時，或者對象沒有重寫finalize方法，則該對象進入終結階段，並等待垃圾收集器回收該對象空間。

7.對象空間從新分配階段(Deallocated)
當垃圾收集器對對象的內存空間進行回收或者再分配時，這個對象就會完全消失。

好了，咱們已經瞭解了Java對象在虛擬機中的生命週期，再來回想我方纔說的問題：被標記爲不可達的對象會當即被垃圾收集器回收嗎？很顯然是不會的，被標記爲不可達的對象會進入收集階段，這時會執行該對象重寫的finalize方法，若是沒有重寫finalize方法或者finalize方法中沒有從新與一個可達的對象進行關聯纔會進入終結階段，並最終被回收。

參考資料
《深刻理解 Java 虛擬機：JVM 高級特性與最佳實踐》第二版
《Java虛擬機精講》
《HotSpot實戰》
《Android應用性能優化最佳實踐》
JVM 深刻筆記（3）垃圾標記算法
 GC roots
Java GC - 監控回收行爲與日誌分析
 Java:對象的強、軟、弱和虛引用
 JVM GC中Stop the world案例實戰
 Java對象的生命週期

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