【JVM】Java 垃圾回收基础与根搜索算法详解_windows server 2016 datacenter java垃圾回收-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/m0_38053034/article/details/143018742

Java 垃圾回收基础与根搜索算法详解

垃圾回收（Garbage Collection，GC）是 Java 中一项重要的自动内存管理机制，旨在自动清理不再被使用的对象，释放内存资源，避免内存泄漏。本文将详细介绍垃圾回收的基础原理，以及垃圾回收的核心算法之一——根搜索算法（GC Root Tracing Algorithm）。

一、什么是垃圾回收

垃圾回收的主要目的是回收不再被引用的对象所占的内存。由于 Java 采用的是自动内存管理，开发者不需要手动释放内存，垃圾回收器会在合适的时间自动完成这项工作。Java 的垃圾回收机制依赖于堆内存的管理，负责清理那些不再使用的对象，从而保证系统内存不会被耗尽。

1.1 垃圾回收的意义

避免内存泄漏：自动清除不再使用的对象，防止占用系统内存。
减少程序崩溃风险：通过管理内存生命周期，降低了由于手动管理内存带来的崩溃风险。
提升开发效率：开发者不需要像在 C/C++ 中那样手动分配和释放内存，可以专注于业务逻辑。

1.2 Java 中的堆内存模型

Java 的内存分为以下几部分：

堆内存（Heap）：存储所有的对象实例。
栈内存（Stack）：用于存储局部变量、方法调用栈帧等。

堆内存是垃圾回收的主要管理区域，分为年轻代（Young Generation）、老年代（Old Generation）和永久代/元数据区（PermGen/Metaspace）。

二、垃圾回收的基本概念

2.1 可达性分析（Reachability Analysis）

Java 中的垃圾回收机制并不是随机清理内存，它基于一种叫做可达性分析的算法来判断对象是否还在使用。可达性分析的核心思想是通过“根对象”来追踪哪些对象是可达的，哪些是不可达的。

对象根据其可达性分为以下几类：

强引用（Strong Reference）：强引用的对象在任何情况下都不会被回收。
软引用（Soft Reference）：在内存不足时，软引用对象可能会被回收。
弱引用（Weak Reference）：弱引用对象在垃圾回收时会被立即回收。
虚引用（Phantom Reference）：主要用于跟踪对象的销毁，在任何时候都可能被回收。

2.2 垃圾回收的触发条件

垃圾回收通常在以下情况下被触发：

内存不足：当堆内存不足时，GC 会自动执行，回收不再使用的对象。
系统调用：开发者也可以通过调用 System.gc() 或 Runtime.getRuntime().gc() 来建议 JVM 执行 GC，但这只是一个提示，GC 不一定会立即执行。

三、根搜索算法（GC Root Tracing Algorithm）

3.1 根搜索算法的定义

根搜索算法（GC Root Tracing）是 Java 垃圾回收的重要算法之一，它通过从GC Roots开始，逐步追踪对象的引用关系，判断哪些对象是可达的，哪些是不可达的。可达的对象被认为是“活跃”的，不会被回收；而不可达的对象则是“垃圾”，可以被回收。

3.2 GC Roots 是什么？

GC Roots 是一组特殊的对象，这些对象作为起点，用于追踪堆中所有活跃对象。GC Roots 包括以下几种：

虚拟机栈（栈帧中的局部变量表）中的引用：比如方法的参数、局部变量等。
方法区中的静态引用：如静态变量。
方法区中的常量引用：如字符串常量池中的对象。
本地方法栈中 JNI 引用：Native 方法中的对象引用。

3.3 根搜索算法的工作原理

根搜索算法从 GC Roots 开始，沿着引用关系进行遍历，所有从 GC Roots 可达的对象都被标记为存活对象。不可达的对象会被标记为垃圾，等待被清理。

具体步骤如下：

从 GC Roots 开始遍历：从 GC Roots 开始，对所有直接引用的对象进行标记。
递归遍历所有可达对象：对每个被标记的对象，继续遍历它所引用的对象，直到没有新的对象可以访问为止。
标记所有存活对象：最终，所有可达的对象都会被标记为存活对象，未被标记的对象即为垃圾，可以被回收。

3.4 根搜索算法的示例

考虑如下代码示例：

class Node {
    Node next;
}

public class GCRootDemo {

    public static void main(String[] args) {
        Node root = new Node();  // root 是 GC Roots
        Node node1 = new Node();
        Node node2 = new Node();
        root.next = node1;
        node1.next = node2;

        System.gc();  // 进行垃圾回收
    }
}

在上面的例子中，root 是 GC Roots，垃圾回收器会从 root 开始进行可达性分析，node1 和 node2 都是可达的，因此不会被回收。如果我们将 root.next = null;，那么 node1 和 node2 都不可达，下一次 GC 时会被回收。

3.5 可达性分析与引用计数的区别

引用计数算法是另一种垃圾回收算法，但它有一个明显的缺点：无法处理循环引用。相比之下，可达性分析算法可以有效避免这个问题，因为它是基于引用链的遍历，而不是简单的引用计数。

例如：

class Node {
    Node next;
}

public class CircularReference {
    public static void main(String[] args) {
        Node node1 = new Node();
        Node node2 = new Node();
        node1.next = node2;
        node2.next = node1;  // 循环引用
    }
}