【Java】垃圾回收学习笔记（一）：Root Search 根可达算法+垃圾回收的起点

文章目录

1. 引用计数法
- - 优点
  - 缺点
2. 可达性分析 Root Search
- 2.1 那些对象是GC Roots
- 2.2 引用的分类
- 2.3 回收方法区
3. 实现细节
- 3.1 GC的起点：节点枚举
- - OopMap：帮助高效的根节点枚举
- 3.2 何时开始GC：安全点与安全区域
- - 如何选取安全点
  - 如何让程序进入安全点
- 3.3 程序不执行时的安全点：安全区域
Reference

最近上班地铁上偶尔看看书，周末有空理一下，做个笔记。
下面说说GC过程中如何判断对象是否存活。

1. 引用计数法

用于微软COM（Component Object Model）计数、Python语言等，进行内存管理。原理就是在对象中添加一个引用计数器：

每当有地方引用他时，计数器加一；
引用失效时，计数器减一；
计数器为零时，对象就是不可能再被使用的。

优点

原理简单，判断效率高

缺点

单纯的引用计数很难解决对象间的相互循环引用问题，需要考虑很多额外情况

另外，Java虚拟机并不用引用计数来判断对象是否存活

2. 可达性分析 Root Search

Java、C#等主流商用程序语言凑采用可达性分析（Reachability Analysis）算法判定对象是否存活：

枚举一系列对象作为GC Roots
从GC Roots出发，搜索引用链，某个对象不可达时，则该对象判定为不可能再被使用（死亡）

在这里插入图片描述

2.1 那些对象是GC Roots

Java中，可作为GC Roots的对象包括：

在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，也就各个线程调用的对象；
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，比如字符串常量池中的引用；
本地方法栈（Native方法）引用的对象；
JVM内部的引用，比如
- 基本数据类型（float、double、int、long、byte、char、boolean）对应的Class对象
- 常驻的异常对象（NullPointException、OutOfMemoryError）
- 类加载器（BootstrapClassLoader、ExtensionClassLoader、AppClassLoaderfab）等等；
synchronized关键字持有的锁对象（一般是static对象，或者是当前类的Class对象）；
反应JVM内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调、本地代码缓存等

在分代回收和局部回收过程中，可能会有临时对象加入GC Roots集合，来解决跨代引用等问题。

2.2 引用的分类

JDK1.2之后，Java扩充了引用的定义，不同引用在GC时的行为有所差异：

强引用（Strongly Reference）：在代码中通过Object o = new Object() 形势产生的引用关系。只要强引用存在，GC就不会回收被引用对象（哪怕OOM）。
软引用（Soft Reference）：通过SoftReference 类实现的引用。系统内存发生内存溢出前，会将软引用对象列入回收范围进行回收，如果回收后还没有足够内存，就抛出OOM。
弱引用（Weak Reference）：通过WeakReference 类实现的引用。无论内存是否足够，弱引用对象都会被GC。

虚引用（Phantom Reference）：通过PhantomReference 类实现的引用。虚引用无法对对象实际的生存时间造成影响，也不能通过虚引用来获得对象实例。虚引用的作用就是追踪对象的GC信息，在被回收时加入到关联的引用队列，可以得到一个通知或做些其他事。

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;
public class PhantomReferenceExample {
    public static void main(String[] args) {
        Object obj = new Object();
        ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
        PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(obj, queue);
 
        // 执行对象的清理操作
        Thread cleanupThread = new Thread(() -> {
            try {
                while (true) {
                    PhantomReference<?> reference = (PhantomReference<?>) queue.remove();
                    // 执行清理操作，比如释放资源
                    System.out.println("Cleanup: " + reference);
                }
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        cleanupThread.setDaemon(true);
        cleanupThread.start();
 
        obj = null; // 取消强引用
        System.gc(); // 手动触发垃圾回收
 
        // 在这里可以进行一些其他操作
    }
}

根可达算法中判定为不可达的对象，可以在finallize()方法中重新增加引用关联来复活（只能复活一次，try…finally也行）

2.3 回收方法区

《Java虚拟机规范》：可以不要求虚拟机在方法区中实现垃圾回收（比如JDK11 的ZGC收集器就不支持类卸载）。因为方法区回收的性价比通常较低。

方法区允许（不是必须）回收的对象一般是废弃的常量和不再使用的类：

废弃的常量：类似堆中的对象，即没引用的常量。比如常量池中有个字符串对象，值为“java”，其回收条件为
- 没用其他任何对象引用“java”常量；
- 虚拟机中没有“java”字面量的引用。
不再被使用的类需要同时满足三个条件才会允许（不是必须）被回收（即类卸载）：
- 该类的所有实例都已经被回收（堆中不存在该类及其子类的实例）；
- 加载该类的类加载器已经被回收；
- 该类对应的Class对象也没被引用（即不能通过反射访问该类的method跟filed）。

Hotspot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行类卸载控制，还有一系列参数查看类可查看类加载和类卸载信息。

在动态代理大量使用的场景（大量使用反射、CGLib等），或者需频繁自定义类加载器等场景中，通常需要JVM具备类卸载能力，以保证生成的代理类对象不会对方法区造成过大压力。

3. 实现细节

简单来说就是，在安全点进行GC roots枚举，然后开始可达性分析（比如三色标记），标记完后由垃圾收集器采用特定的回收算法进行内存回收。

3.1 GC的起点：节点枚举

由于用户进程运行过程中，根节点集合的对象引用关系会不断变化，为了保证一致性，在根节点枚举过程中需要停顿所有用户线程，不可避免地面临“Stop The World”（但由GC Roots查找引用链的过程已经可以与用户线程并发了）

OopMap：帮助高效的根节点枚举

实际上，停止用户线程进行根节点枚举的时候，不需要一个不漏地检查所有执行的上下文和全局引用。HotSpot使用了OopMap（）来直接得到引用信息，在类加载完成后，HotSpot会计算对象内某个偏移量上时什么类型的数据，也会在即时编译的过程中记录栈帧和寄存器里的引用位置。

3.2 何时开始GC：安全点与安全区域

OopMap可以帮助JVM快速完成根节点枚举。但是程序不同线程是按一条条指令执行的，许多指令都可能导致对象引用关系的变化，如果为每条指令都生产OopMap会消耗大量的内存空间，因此可以在“特定位置”生产OopMap。前面有提到，根节点枚举会有STW来避免对象引用关系的变化，现在的问题就是：

在何时让这些线程停止？（即在什么时候生成OopMap/开始GC）

在HotSpot中，这个“特殊位置”就是安全点（Safe Point），用户程序执行时，强制要求执行到安全点后才能暂停下来，开始GC。

再明确一下，安全点就是GC的起点，程序需要GC时，所有线程需要跑到对应的安全点，安全点处有对应的OopMap，可以帮助虚拟机进高效地搜索GC root集合，然后开始GC流程。

如何选取安全点

安全点选的太少，会让收集器等待时间太久；安全点选的太频繁，会增大运行时的内存负荷（每个安全点都会有对应的OopMap）。

安全点的选取标准：**能否让程序长时间执行。**即指令序列的复用，比如方法调用、循环跳转、异常跳转等就会产生安全点。

为什么安全点需要让程序一直跑/为什么安全点要考虑指令序列的复用？

可以理解为，在安全点的程序指令运行时间较长（复用较多），需存活的对象相对重复，不能让过多的死对象占用内存，因此适合作为GC的起点。

如何让程序进入安全点

即如何让GC发生时，让所有线程都跑到最近的安全点。一般包括两种方案：

抢先式中断：GC发生时，中断所有线程，如果有线程没到安全点，就恢复执行（现在几乎没有虚拟机用抢先式中断）；
主动式中断：需要中断线程时，垃圾收集器设置一个标志位，各个线程不断主动轮询该标志位，一旦标志位位true，线程在自己最近的安全点刮起。
- 轮询的标志位与安全点重合，且需要包括创建对象等需要在堆上分配内存的地方，避免没有足够内存分配新对象（是否有必要GC）。