Java JVM如何判断对象“已死”

你只看到别人成绩好,却没看到他每天在图书馆待到多晚;你羡慕别人身材好气质佳,却不知道她在健身房挥汗如雨。与其纠结为什么别人的人生总像开了挂,不如勇敢尝试,付出持续不断的努力。所谓“好运气”,不过是机遇遇到了努力。

Java JVM如何判断对象“已死”

加油

你只看到别人成绩好,却没看到他每天在图书馆待到多晚;你羡慕别人身材好气质佳,却不知道她在健身房挥汗如雨。与其纠结为什么别人的人生总像开了挂,不如勇敢尝试,付出持续不断的努力。所谓“好运气”,不过是机遇遇到了努力。

程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随线程而生,随线程而灭;栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈操作。每一个栈帧中分配多少内存基本上是在类结构确定下来时就已知的(尽管在运行期间会由JIT编译器进行一些优化,但基于概念模型的讨论中,大体上可以认为是编译期可知的),因此这几个区域的内存分配和回收都具备确定性,在这几个区域内就不需要过多考虑回收的问题,因为方法结束或者线程结束时,内存自然就跟着回收了。

而Java堆和方法区则不一样,一个接口中的多个实现类需要的内存可能不一样,一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样,我们只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象,这部分内存的分配和回收都是动态的,垃圾收集器所关注的是这部分内存。

  • 引用计数算法

很多教科书中判断对象是否存活的算法是这样的:给对象添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它时,计数器值就加1;当引用失效时,计数器值就减1;任何时刻计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

客观地说,引用计数算法(Reference Counting)的实现简单,判定效率也很高,在大部分情况下它都是一个不错的算法。主流的Java虚拟机里面没有选用引用计数算法来管理内存,其中最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。

  • 可达性分析算法

主流的商用程序语言(Java、C#)的主流实现中,都是通过可达性分析(Reachability Analysis)来判定对象是否存活的。这个算法的基本思路就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点,从这些节点开始向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain),当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连(用图论的话来说,就是从GC Roots到这个对象不可达)时,则证明此对象是不可用的。

在Java语言中,可作为GC Roots的对象包括下面几种:

① 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象;

② 方法区中类静态属性引用的对象;

③ 方法区中常量引用的对象;

④ 本地方法栈中JNI(即一般说的Native方法)引用的对象;

无论哪种算法,判断对象是否存活都与“引用”有关,JDK1.2之后,Java对引用的概念进行了扩充,将引用分为强引用(Strong Reference)、软引用(Soft Reference)、弱引用(Weak Reference)、虚引用(Phantom Reference)4种,这4种引用强度依次逐渐递减。

◇ 强引用就是指在程序代码中普遍存在的,类似“Object obj = new Object()”这类的引用,只要强引用还存在,垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。

◇ 软引用是用来描述一些还有用但并非必须的对象。对于软引用关联着的对象,在系统将要发生内存溢出异常之前,将会把这些对象列进回收范围之中进行第二次回收。如果这次回收还没有足够的内存,才会抛出内存溢出异常。JDK1.2之后,提供了SoftReference类来实现软引用。

◇ 弱引用也是用来描述非必须对象的,但是它的强度比软引用更弱一些,被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。当垃圾收集器工作时,无论当前内存是否足够,都会回收掉只被弱引用关联的对象。JDK1.2之后,提供了WeakReference类来实现弱引用。

◇ 虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用,它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在,完全不会对其生存时间构成影响,也无法通过虚引用来取得一个对象实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。JDK1.2之后,提供了PhantomReference类来实现虚引用。

  • finalize()

即使在可达性分析算法中不可达的对象,也并非是“非死不可”的,这时候他们暂时处于“缓刑”阶段,要真正宣告一个对象死亡,至少要经历两次标记过程:如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连的引用链,那它将会被第一次标记并且进行一次筛选,筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法,或者finalize()方法已经被虚拟机调用过,虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。finalize()方法被覆盖且从未执行过,在垃圾回收时会调用finalize()方法。

如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法,那么这个对象将会放置在一个叫做F-Queue的队列之中,并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行它。这里所谓的“执行”是指虚拟机会触发这个方法,但并不承诺会等待它运行结束,这样做的原因是,如果一个对象在finalize()方法中执行缓慢,或者发生了死循环(更极端的情况),将很可能会导致F-Queue队列中其他对象永远处于等待,甚至导致整个内存回收系统崩溃。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会,稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记,如果对象要在finalize()中成功拯救自己--只要重新与引用链上的任何一个对象建立关联即可,譬如把自己(this关键字)赋值给某个类变量或者对象的成员变量,那在第二次标记时它将被移除出“即将回收”的集合,如果对象这时候还没有逃脱,那基本上它就真的被回收了。

package com.java.jvm.chapter03;
/**
 * 此代码演示了两点:
 * 1.对象可以在被GC时自我拯救
 * 2.这种自救的机会只有一次,因为一个对象的finalize()方法最多只会被系统自动调用1次
 * 2019年5月24日
 */
public class FinalizeEscapeGC {
	public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;
	public void isAlive() {
		System.out.println("yes, i am still alive :)");
	}
	@Override
	protected void finalize() throws Throwable {
		super.finalize();
		System.out.println("finalize method executed!");
		SAVE_HOOK = this;
	}
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();
		//对象第一次成功拯救自己
		SAVE_HOOK = null;
		System.gc();
		//因为finalize方法优先级很低,所以暂停0.5s等待它
		Thread.sleep(500);
		if(SAVE_HOOK != null) {
			SAVE_HOOK.isAlive();
		}else {
			System.out.println("第一次自救:no, i am dead :(");
		}
		//下面这段代码与上面的完全相同,但是这次自救却失败了
		SAVE_HOOK = null;
		System.gc();
		//因为finalize方法优先级很低,所以暂停0.5s等待它
		Thread.sleep(500);
		if(SAVE_HOOK != null) {
			SAVE_HOOK.isAlive();
		}else {
			System.out.println("第二次自救:no, i am dead :(");
		}
	}
}
 

运行结果:

finalize method executed!
yes, i am still alive :)
第二次自救:no, i am dead :(

finalize()方法的运行代价高昂,不确定性大,无法保证各个对象的调用顺序。有些教材中描述它适合做“关闭外部资源”之类的工作,这完全是对这个方法用途的一种自我安慰。finalize()能做的所有工作,使用try-finally或其他方式都可以做得更好、及时,所以建议大家完全可以忘掉Java语言中的这个方法的存在。

  • 回收方法区

方法区(或者HotSpot虚拟机中的永久代)的垃圾收集主要回收两部分内容:废弃常量和无用的类。回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。以常量池中字面量的回收为例,假如一个字符串“abc”已经进入了常量池中,但是当前系统没有任何一个String对象叫做“abc”的,换句话说,就是没有任何String对象引用常量池中的“abc”常量,也没有其他地方引用这个字面量,如果这时候发生内存回收,而且必要的话,这个“abc”常量就会被系统清理出常量池。常量池中的其他类(接口)、方法、字段的符号引用也与此类似。

判定一个常量是否是“废弃常量”比较简单,而要判定一个类是否是“无用的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满足下面3个条件才算是“无用的类”:

◇ 该类所有的实例都已经被回收,也就是Java堆中不存在该类的任何实例。

◇ 加载该类的ClassLoader已经被回收。

◇ 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

虚拟机可以对满足上述3个条件的无用类进行回收,这里说的仅仅是“可以”,而并不是和对象一样,不使用了就必然会回收。是否对类进行回收,HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制,还可以使用-verbose:class以及-XX:+TraceClassLoading、-XX:+TraceClassUnLoading查看类加载和卸载信息,其中-verbose:class和-XX:+TraceClassLoading可以在Product版的虚拟机中使用,-XX:+TraceClassUnLoading参数需要FastDebug版的虚拟机支持。

扩展阅读:

Java JVM运行时数据区域

Java JVM中对象是怎么创建的

Java JVM对象的内存布局


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