JVM如何判断对象是否存活？

JVM 内存管理与对象存活判断的重要性

在 Java 编程领域，Java 虚拟机（JVM）如同幕后的 “大管家”，精心打理着程序运行时的内存资源。JVM 内存管理机制是 Java 语言的一大核心优势，它让开发者从繁琐的手动内存管理工作中解脱出来，专注于业务逻辑的实现。在 C 或 C++ 等语言中，程序员需要亲自负责内存的分配与释放，如果稍有疏忽，就可能引发内存泄漏、悬空指针等严重问题。而 Java 得益于 JVM 的内存管理，大大降低了这类风险。

想象一下，一个大型的电商系统，每天要处理数以万计的订单。在订单处理过程中，会不断创建和销毁各种对象，如订单对象、商品对象、用户对象等。如果 JVM 不能高效地管理这些对象的内存，系统很快就会因为内存耗尽而崩溃。因此，JVM 内存管理的优劣，直接关乎 Java 程序的性能、稳定性和可扩展性。

在 JVM 内存管理的众多环节中，判断对象是否存活是最为关键的一环。这就好比在一个仓库里，要定期清理那些不再使用的物品，为新的物品腾出空间。只有准确判断出哪些对象已经不再被程序使用，JVM 才能及时回收它们所占用的内存，避免内存浪费，提高内存利用率。否则，随着程序的运行，未被回收的对象会不断占用内存，最终导致内存溢出错误，使程序无法正常运行。所以，深入理解 JVM 中判断对象存活的核心算法，对于优化 Java 程序性能、编写健壮的 Java 代码具有重要意义，接下来我们就一同深入探究这些算法。

引用计数法：简单却有缺陷的算法

原理剖析

引用计数法（Reference Counting）是一种较为直观的判断对象是否存活的算法。其核心原理是为每一个对象创建一个引用计数器（reference counter）。当有一个地方引用该对象时，计数器的值就增加 1；当引用失效，即不再有指向该对象的引用时，计数器的值就减少 1 。一旦某个对象的引用计数器值变为 0，就意味着这个对象已经不再被任何其他对象所引用，它就可以被判定为不再存活，成为垃圾回收的对象，其所占用的内存空间可以被回收再利用。例如，在一个简单的 Java 程序中创建一个对象Object obj = new Object();，此时obj引用了新创建的对象，该对象的引用计数器为 1。如果后续执行obj = null;，那么对象的引用计数器减 1 变为 0，该对象就符合回收条件。

示例说明

我们通过一段具体的 Java 代码来深入理解引用计数法的工作过程：

public class ReferenceCountingExample {

   public static void main(String[] args) {
       // 创建对象obj1，此时obj1引用对象，对象引用计数为1
       Object obj1 = new Object();

       // 创建对象obj2，此时obj2引用对象，对象引用计数为1
       Object obj2 = new Object();

       // obj1引用obj2，obj2对象的引用计数变为2
       obj1 = obj2;

       // 此时原来obj1引用的对象，引用计数变为0，符合回收条件
       // 而obj2对象的引用计数仍为2
   }
}

在上述代码中，首先创建obj1和obj2两个对象引用，分别指向不同的对象实例，这两个对象的引用计数初始都为 1。当执行obj1 = obj2;时，obj1原来指向的对象不再有任何引用指向它，其引用计数减为 0，JVM 可以在合适的时候回收这个对象占用的内存；而obj2对象因为被obj1和obj2同时引用，引用计数变为 2 。这样通过具体的代码执行步骤，能清晰看到引用计数在对象引用关系变化时的数值改变，以及如何据此判断对象是否存活。

优点阐述

引用计数法具有一些显著的优点。它的实现相对简单直接，不需要复杂的算法逻辑和数据结构。在对象的引用关系发生变化时，只需要对引用计数器进行相应的增减操作即可。这使得它在判断对象存活时具有较高的效率，能够快速地确定哪些对象不再被引用，可以立即进行回收，不需要等到内存空间紧张时才启动垃圾回收机制，从而减少了程序运行时因为垃圾回收带来的停顿时间。比如在一些对实时性要求较高的场景，如游戏开发中的一些短期使用的对象管理，引用计数法可以及时回收不再使用的对象，保证游戏的流畅运行。同时，在一些简单的程序中，引用计数法能够高效地管理对象内存，避免内存浪费。

致命缺陷：循环引用问题

然而，引用计数法存在一个致命的缺陷 —— 循环引用（Circular Reference）问题。当两个或多个对象相互引用，形成一个封闭的引用环时，即使这些对象实际上已经不再被程序的其他部分所使用，但由于它们之间的相互引用，导致它们的引用计数器永远不会变为 0 ，从而无法被垃圾回收器回收，造成内存泄漏。

public class CircularReference {

   public Object reference;

   public static void main(String[] args) {

       CircularReference obj1 = new CircularReference();
       CircularReference obj2 = new CircularReference();

       // obj1引用obj2，obj2引用计数为2
       obj1.reference = obj2;

       // obj2引用obj1，obj1引用计数为2
       obj2.reference = obj1;

       // 将obj1和obj2设置为null，断开外部引用
       obj1 = null;
       obj2 = null;

       // 此时obj1和obj2相互引用，引用计数都不为0，无法被回收
   }
}

在这段代码中，obj1和obj2对象相互引用，形成了循环引用。当执行obj1 = null;和obj2 = null;后，虽然从程序的外部已经无法再访问到这两个对象，但由于它们之间的相互引用，它们的引用计数器始终不为 0 。在这种情况下，引用计数法无法识别这两个对象实际上已经成为了垃圾，导致它们占用的内存空间一直无法被释放，随着程序中这种循环引用情况的增多，会逐渐耗尽系统的内存资源，严重影响程序的性能和稳定性。正是由于循环引用问题的存在，使得引用计数法在 Java 的 JVM 中并没有被广泛采用来作为主要的判断对象存活的算法，JVM 需要寻找更为可靠和高效的算法来解决对象存活判断和内存回收的问题。

可达性分析算法：主流的对象存活判断方案

为了解决引用计数法的循环引用问题，Java 虚拟机采用了可达性分析算法（Reachability Analysis Algorithm）来判断对象是否存活。这一算法目前是 Java 中判断对象存活的主流方案，被广泛应用于各种 JVM 实现中。

GC Roots 对象集合

可达性分析算法的核心在于确定一系列被称为 “GC Roots” 的对象集合，这些对象被视为根对象，作为整个分析过程的起始点。在 Java 语言中，可作为 GC Roots 的对象包括以下几类：

虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象：每个线程在执行方法时，都会在虚拟机栈中创建对应的栈帧，栈帧中的本地变量表会存储方法中使用的局部变量、方法参数等。这些变量所引用的对象就可以作为 GC Roots。例如，在一个方法中定义的对象Object obj = new Object();，这里的obj引用的对象就属于 GC Roots。

方法区中类静态属性引用的对象：在 Java 类中，使用static关键字修饰的静态属性所引用的对象。比如public static User user = new User();，user引用的User对象会一直存活，因为它是类静态属性的引用，属于 GC Roots。只要包含这个静态属性的类没有被卸载，该对象就不会被回收。

方法区中常量引用的对象：方法区中的常量池存储着各种常量，其中常量所引用的对象也可作为 GC Roots。典型的如字符串常量池中的字符串对象。例如String str = "Hello";，这里的"Hello"是常量池中的常量，它所引用的字符串对象就属于 GC Roots，在程序运行期间会一直存在。

本地方法栈中 JNI（Java Native Interface，即一般说的 Native 方法）引用的对象：当 Java 程序调用本地（Native）方法时，本地方法栈中 JNI 引用的对象也会被视为 GC Roots。例如在一些与操作系统底层交互的场景中，通过 JNI 调用 C 或 C++ 代码，这些本地代码中引用的 Java 对象会被作为 GC Roots，以确保这些对象在相关本地操作完成前不会被回收。

算法执行过程

可达性分析算法的执行过程就像是一场从 GC Roots 出发的 “对象引用大冒险”。当 JVM 启动可达性分析时，会从上述的 GC Roots 对象集合开始，沿着对象之间的引用链进行深度遍历。在遍历过程中，每一个被访问到的对象都会被标记，表示该对象是可达的，即仍然被程序所使用，不能被回收。例如，假设 GC Roots 中有一个UserService对象，它引用了一个User对象，User对象又引用了一个Address对象，那么在遍历过程中，UserService、User和Address对象都会被标记为可达。当所有从 GC Roots 出发的引用链都遍历完成后，那些没有被标记的对象，就说明它们与 GC Roots 之间没有任何引用链相连，即不可达。这些不可达的对象就会被判定为不再存活，可以被垃圾回收器回收。这种方式就像是在一幅地图上，从一些固定的起点出发，标记所有能到达的地点，最后剩下的未标记地点就是可以被清理的 “废弃之地”。通过这种方式，可达性分析算法能够准确地找出那些真正不再被使用的对象，避免了引用计数法中循环引用导致的对象无法回收问题。

解决循环引用问题

可达性分析算法能够有效解决循环引用问题。当两个或多个对象相互引用形成循环时，只要它们与 GC Roots 之间没有引用链相连，在可达性分析中就会被判定为不可达，从而可以被回收。以之前引用计数法中循环引用的代码为例：

public class CircularReference {

   public Object reference;

   public static void main(String[] args) {

       CircularReference obj1 = new CircularReference();
       CircularReference obj2 = new CircularReference();

       obj1.reference = obj2;
       obj2.reference = obj1;
       // obj1和obj2都置为null，相应的对象都不被obj1和obj2引用。
       obj1 = null;
       obj2 = null;
   }
}

在这段代码中，obj1和obj2相互引用形成循环。在可达性分析算法中，当执行obj1 = null;和obj2 = null;后，从 GC Roots 出发进行遍历，无法到达obj1和obj2所指向的对象，因为它们与 GC Roots 之间的引用链被切断了。所以，尽管这两个对象相互引用，但由于它们与 GC Roots 不可达，就会被判定为可回收对象，成功解决了引用计数法无法处理的循环引用问题，保证了内存的有效回收，避免了内存泄漏的发生。

对象死亡判定的 “死缓” 过程

在可达性分析算法中，一个对象即使被判定为不可达，也并非立即被回收，而是要经历一个类似 “死缓” 的过程，这个过程需要经过多次标记和筛选，充分给予对象 “自救” 的机会。

初次标记与筛选

当对象在进行可达性分析之后，如果发现没有与 GC Roots 相连接的引用链，它会被第一次标记。随后，JVM 会对这个被标记的对象进行一次筛选，筛选的关键条件是判断此对象是否有必要执行finalize()方法。如果对象没有覆盖finalize()方法，或者finalize()方法已经被虚拟机调用过，那么虚拟机将这两种情况都视为 “没有必要执行”，这类对象基本就确定要被回收了。

finalize () 方法执行

如果对象被判定为确有必要执行finalize()方法，那么该对象将会被放置在一个名为 F-Queue 的队列之中。之后，会由一条由虚拟机自动建立的、低调度优先级的 Finalizer 线程去执行它们的finalize()方法。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会，在这个方法中，对象可以尝试重新与引用链上的任何一个对象建立关联。比如，对象可以把自己（this关键字）赋值给某个类变量或者对象的成员变量，从而实现 “自救”。例如：

public class FinalizeEscapeGC {

   public static FinalizeEscapeGC SAVE_HOOK = null;

   @Override
   protected void finalize() throws Throwable {
       super.finalize();
       // 进行自救，将自己赋值给类变量SAVE_HOOK
       FinalizeEscapeGC.SAVE_HOOK = this;
   }

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
       SAVE_HOOK = new FinalizeEscapeGC();
       // 将SAVE_HOOK置为null，使其不可达
       SAVE_HOOK = null;
       // 手动触发垃圾回收
       System.gc();
       // 等待Finalizer线程执行finalize()方法
       Thread.sleep(500);
       if (SAVE_HOOK != null) {
           System.out.println("对象成功自救，没有被回收");
       } else {
           System.out.println("对象没有成功自救，被回收了");
       }
   }
}

在上述代码中，FinalizeEscapeGC类重写了finalize()方法，在方法中通过将this赋值给类变量SAVE_HOOK来实现自救。在main方法中，先创建对象并将其赋值给SAVE_HOOK，然后将SAVE_HOOK置为null，使对象不可达，接着手动触发垃圾回收。如果对象在finalize()方法中成功自救，SAVE_HOOK将不为null，说明对象没有被回收；反之，则对象被回收。

第二次标记与回收

在 Finalizer 线程执行完 F-Queue 队列中对象的finalize()方法后，垃圾收集器会对 F-Queue 中的对象进行第二次小规模的标记。如果对象在finalize()方法中成功与引用链上的任何一个对象建立关联，那么在第二次标记时它将被移出 “即将回收” 的集合，成功存活下来；而那些在finalize()方法中没有成功建立关联的对象，基本上就真的要被回收了。这个过程就像是给对象一个申诉的机会，经过再次审查后，才最终决定对象的命运。不过需要注意的是，finalize()方法的执行具有不确定性，不保证方法里的任务会被执行完，而且一个对象的finalize()方法最多只会被系统自动调用一次。因此，在现代 Java 开发中，不建议依赖finalize()方法来进行资源回收等重要操作，通常会使用try-finally块或者其他更可靠的方式来确保资源的正确管理。

不同算法的应用场景与选择

在实际的 Java 编程中，选择合适的对象存活判断算法对于程序性能和内存管理至关重要。不同的算法因其自身特点，适用于不同的应用场景。

引用计数法的适用场景

引用计数法虽然存在循环引用的致命缺陷，但在一些特定场景下仍有其用武之地。由于其实现简单、判断效率高，在对象引用关系简单且不存在循环引用的场景中，引用计数法能够快速准确地判断对象是否存活，及时回收不再使用的对象，从而提高内存的使用效率。例如，在一些轻量级的嵌入式系统开发中，由于系统资源有限，对象的创建和销毁相对简单，不存在复杂的引用关系，此时引用计数法可以作为一种简单有效的内存管理方式。在一些简单的对象池或缓存管理场景中，引用计数法也能发挥其优势，通过对对象引用计数的管理，确保对象在不再被使用时能及时被回收，避免内存浪费。不过，在使用引用计数法时，开发者需要特别注意避免循环引用的情况，否则会导致内存泄漏等严重问题。

可达性分析算法的广泛应用

可达性分析算法作为 Java 中判断对象存活的主流方案，适用于大多数 Java 应用程序，尤其是大型复杂系统。在这些系统中，对象之间的引用关系错综复杂，可能存在各种复杂的依赖和嵌套。可达性分析算法通过从 GC Roots 出发遍历整个对象图，能够准确地判断对象是否存活，有效解决循环引用问题，确保内存的正确回收。以企业级应用开发为例，像电商系统、金融系统等，这些系统涉及大量的业务对象和复杂的业务逻辑，对象之间的引用关系十分复杂。可达性分析算法能够在这样的环境中准确识别出不再被使用的对象，为垃圾回收提供可靠依据，保证系统的稳定运行和高效内存管理。在分布式系统中，由于涉及多个节点和服务之间的交互，对象的生命周期和引用关系更加复杂，可达性分析算法同样能够发挥重要作用，确保各个节点上的对象内存得到有效管理。

总结

引用计数法简单直接、判断效率高，但因无法解决循环引用问题，在 Java 的 JVM 中未被广泛采用，仅适用于对象引用关系简单的特定场景。可达性分析算法成为 Java 判断对象存活的主流方案，它通过从 GC Roots 出发遍历对象引用链，有效解决了循环引用问题，适用于各种规模和复杂度的 Java 应用程序，确保内存的正确回收和程序的稳定运行。

在实际的 Java 开发中，深入理解判断对象存活的算法，并根据不同的应用场景选择合适的算法，对于优化 Java 程序性能、提升内存管理效率具有至关重要的意义。无论是开发小型的桌面应用，还是构建大型的分布式系统，合理运用这些算法，都能让 Java 程序在内存利用和性能表现上达到更优的状态。随着 Java 技术的不断发展，JVM 中的对象存活判断算法也在持续演进，开发者需要持续关注相关技术动态，不断优化自己的代码，以充分发挥 Java 语言的优势。