【从零开始学习JVM | 第七篇】深入了解堆回收

通过一组称为"GC Roots"的根对象作为起点，从这些根对象出发，沿着引用链进行遍历，标记所有被引用的对象为可达对象。剩下的未被标记的对象即为不可达对象，可以被回收。在Java中，根对象包括虚拟机栈中引用的对象、方法区中静态变量引用的对象以及本地方法栈中JNI（Java Native Interface）引用的对象。

在这种对象区分中，根对象和普通对象是存在引用关系的。

可达性分析算法是指：如果从某个对象到 GC Root对象是可达的，对象就不可以被回收。

简单的来说：我们利用根对象将所有需要判定是否回收的对象分为了两类：根对象可达的对象和根对象不可达的对象。 根对象可达的对象不可以回收，根对象不可达的对象可以进行回收

而Java进行堆回收的时候，使用的方法就是：可达性分析法，因此我们来深入学习一下可达性分析法：

可达性分析法：

由上文我们简单的介绍可达性分析算法中，可以看出学习JVM中哪些对象是GC Root对象是比较重要的：

常见的GC Root对象：

线程Thread对象。
系统类加载器加载的Java.long.Class对象。
监视器对象，用于保存同步锁synchronized 关键字所持有的对象。
本地方法调用时使用的全局对象。

如何判断一个对象是否被GC Root对象引用：

使用工具：可以使用 Java 调试工具，如 jmap、jconsole、jvisualvm 等，来查看堆中的对象引用关系。这些工具可以提供实时的内存快照，并显示对象的引用链。如果发现某个类的引用链中没有 GC Root 对象，那么该类就不是 GC Root 对象。
分析代码：通过代码分析，可以判断一个类是否是 GC Root 对象。通常情况下，以下几种情况会使一个类成为 GC Root 对象：
- 作为线程对象的局部变量或静态变量。
- 作为系统类加载器加载的 Class 对象的局部变量或静态变量。
- 作为锁对象进行同步操作。
- 作为本地方法调用时使用的全局对象。
可以检查代码中是否存在上述情况，如果不存在，则说明该类不是 GC Root 对象。

但是不是只有满足上述条件的对象，才会被回收呢？

其实并不是的，通过GC Root引用对象只是 Java的五种对象引用的一种，我们来学习一下这五种对象引用，以及在这五种引用下是如何判断对象能否回收的。

JAVA的四种引用关系：

1.强引用：

使用最常见的引用方式。当一个对象被强引用关联时，即使内存不足时也不会被垃圾回收器回收。只有当该对象没有任何强引用时，才可能被回收。

可达性分析算法中描述的对象引用一般就是强引用。

Java 中大部分场景都用的是强引用：

对象的直接引用：当使用类似 Object obj = new Object(); 这样的语句时，obj 对象就是一个强引用，因为它明确指向了一个对象。
静态变量：静态变量通常存放在方法区中，在类加载的过程中初始化，其生命周期和类一样长，因此静态变量的引用是强引用。
实例变量：对象中的实例变量也具有强引用，只要对象存在，其实例变量的引用就会一直存在。

2.软引用：

使用SoftReference类表示，通过SoftReference包装一个对象。当内存不足时，垃圾回收器可能会回收被软引用关联的对象，但这不是强制性的，只有当内存真正不足时才会回收

软引用常用在缓存当中。不会用软引用来关联代码中的核心类，因为核心类不应该被回收。

软引用的应用场景：

缓存和高速缓存：软引用可以用于实现缓存或高速缓存，当内存不足时，垃圾回收器可能会回收已经被软引用关联的对象。这种方式可以避免内存溢出的问题。例如：

Map<Key, SoftReference<Value>> cache = new HashMap<>();
Value getValue(Key key) {
    SoftReference<Value> ref = cache.get(key);
    if (ref != null) {
        Value value = ref.get();
        if (value != null) {
            return value;
        }
    }
    Value value = ...; // 从文件、数据库等获取
    cache.put(key, new SoftReference<>(value));
    return value;
}

对象池：对象池可以使用软引用来实现对象的复用，当内存不足时，垃圾回收器可能会回收已经被软引用关联的对象。这种方式可以避免创建过多的对象，提高系统性能。例如：

class ObjectPool<T> {
    private final List<SoftReference<T>> pool = new ArrayList<>();
    private final Supplier<T> supplier;
    ObjectPool(Supplier<T> supplier) {
        this.supplier = supplier;
    }
    T acquire() {
        for (int i = 0; i < pool.size(); i++) {
            SoftReference<T> ref = pool.get(i);
            T object = ref.get();
            if (object != null) {
                pool.remove(i);
                return object;
            }
        }
        T object = supplier.get();
        return object;
    }
    void release(T object) {
        pool.add(new SoftReference<>(object));
    }
}

需要注意的是，软引用不是绝对可靠的，垃圾回收器并不保证在内存不足时一定会回收被软引用关联的对象，因此在使用软引用时，需要根据具体场景进行合理的设计和配置。

软引用的使用就是：创建一个软引用对象 SoftReference 把需要设置软引用的对象包装起来：

如图所示：我们就把一个 HashMap对象包装在了一个软引用中，当系统的内存不足的时候，就会考虑回收这个HashMap对象。

3.弱引用：

使用WeakReference类表示，通过WeakReference包装一个对象。弱引用的对象在垃圾回收时，无论内存是否充足，都可能被回收

弱引用的使用场景：

ThreadLocal 是一个线程级别的变量存储工具，在多线程环境下可以实现线程间的数据隔离。每个线程都有自己独立的 ThreadLocal 变量副本，可以在不同线程中存储不同的值，而不会相互干扰。

通常情况下，ThreadLocal 的实现会使用一个 Map 来存储每个线程对应的变量副本。为了避免内存泄漏，ThreadLocal 对这些变量副本使用弱引用进行引用。

我们可以看到：当我们在构造Map用的Entry的时候，就用的是虚引用。

当一个线程结束或被回收时，对应的 ThreadLocal 弱引用会被垃圾回收器回收，进而导致对应的变量副本也会被回收。这样可以有效地释放线程相关的资源，避免内存泄漏问题。

4.虚引用：

使用PhantomReference类表示，通过PhantomReference包装一个对象。虚引用主要用于检测对象是否已经被垃圾回收器标记为可回收，在实际使用中很少直接操作虚引用对象。

虚引用（Phantom Reference）是Java中最弱的引用类型之一，它几乎没有实际的用途。虚引用主要用于监控对象是否被垃圾回收器回收，无法通过虚引用来获取对象的实例。

虚引用与其他引用类型不同，它的主要作用在于提供了一种在对象被垃圾回收时，能够在对象被销毁之前执行一些必要的清理操作的机制。虚引用通常会和引用队列（ReferenceQueue）一起使用。

在使用虚引用时，需要创建一个引用队列，并将虚引用对象与引用队列关联起来。当对象被垃圾回收器回收时，会将虚引用放入引用队列中，通过检查引用队列中的对象，可以得知对象已经被回收。

总结：

本文我们首先介绍了为什么需要堆回收以及它的作用。我们了解到，Java堆是存储对象实例的地方，而垃圾对象的存在可能导致内存泄漏和性能下降。因此，堆回收是确保内存使用效率和应用程序性能的关键步骤。

其次介绍了一些与堆回收相关的重要概念，如引用类型（强引用、软引用、弱引用和虚引用）、内存分配和对象生命周期。这些概念对于理解垃圾回收机制和如何优化内存使用至关重要。

在了解到如何判断堆中的类是否能被回收之后，在下篇文章我们就要学习如何进行垃圾回收了，也就是垃圾回收算法和垃圾回收器。

如果我的内容对你有帮助，请点赞，评论，收藏。创作不易，大家的支持就是我坚持下去的动力！