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JVM 可达性分析法

1. 前言

上节课我们结束了运行时数据区的讲解，本节课程开始，我们来对执行引擎进行讲解，在执行引擎模块中，首当其冲的就是垃圾回收器。本节主要知识点如下：

  • 了解垃圾回收器在 JVM 整体架构中的位置，为本节基础知识；
  • 了解并掌握垃圾回收器的定义以及意义，为本节基础知识；
  • 理解并掌握可达性分析法的原理以及意义，为本节课程的核心知识点。

2. 垃圾回收器的位置

我们在 JVM 整体架构介绍的小节提到过 JVM 的垃圾回收器位于执行引擎中。而当时我们的执行引擎只是简单的画了下，那么我们先来看下执行引擎的更细致的结构如下图：

图片描述

Tips：在讲解可达性分析之前，我们先来解决一些基本问题：什么是垃圾回收器？为什么进行垃圾回收？哪些内存需要回收？

3. 垃圾回收器的基本概念

什么是垃圾回收器：JVM 为 Java 提供了垃圾回收机制，其实是一种偏自动的内存管理机制。简单来说，垃圾回收器会自动追踪所有正在使用的对象，并将其余未被使用的对象标记为垃圾，不需要开发者手动进行垃圾回收，JVM 自动进行垃圾回收，释放内容。

为什么进行垃圾回收：如果不进行垃圾回收，内存迟早都会被消耗空，因为我们在不断的分配内存空间而不进行回收。除非内存无限大，我们可以任性的分配不回收，但是事实并非如此。所以，垃圾回收是必须的。

哪些内存需要回收：哪些内存需要回收是垃圾回收机制第一个要考虑的问题，所谓“要回收的垃圾”无非就是那些不可能再被任何途径所使用的对象。无需再使用的对象，会被标记为垃圾，等待JVM回收此部分内存。

Tips：Java中通过可达性分析法来检测对象是否为垃圾，如果不可达，则将对象标记为垃圾，会被 JVM 回收，接下来我们学习可达性分析法。

4. 可达性分析法基本原理

方法原理：通过一系列称为"GC Roots"的对象作为起始点，从这些节点向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（即GC Roots到对象不可达时），则证明此对象是不可用的。

那么问题又来了，如何选取 GCRoots 对象呢？在 Java 语言中，可以作为 GCRoots 的对象包括下面几种：

  • 虚拟机栈（栈帧中的局部变量区，也叫局部变量表）中引用的对象；
  • 方法区中的类静态变量属性引用的对象；
  • 方法区中常量引用的对象；
  • 本地方法栈中 JNI（Native方法）引用的对象。

Tips：看了如上的原理与 GC Roots 选择的描述，感觉概念性问题比较抽象，难于理解，我们继续通过示例来进一步理解可达性分析法。

4. 可达性分析法示例

上文中提到了，可达性分析法是通过 GC Roots 为起点的搜索，有四种对象可以作为 GC Roots，那么我们通过如下示意图来理解下，何为不可达对象。

图片描述

GC Roots 四种类型解释：从上图中，我们可以看到四种 GC Roots。这里我们对这四种 GC Roots 做一下更为细致的解释。

  • 虚拟机栈中的引用的对象：我们在程序中正常创建一个对象，对象会在堆上开辟一块空间，同时会将这块空间的地址作为引用保存到虚拟机栈中，如果对象生命周期结束了，那么引用就会从虚拟机栈中出栈，因此如果在虚拟机栈中有引用，就说明这个对象还是有用的，这种情况是最常见的；

  • 全局的静态的对象：也就是使用了 static 关键字，由于虚拟机栈是线程私有的，所以这种对象的引用会保存在共有的方法区中，显然将方法区中的静态引用作为 GC Roots 是必须的；

  • 常量引用：就是使用了 static final 关键字，由于这种引用初始化之后不会修改，所以方法区常量池里的引用的对象也应该作为 GC Roots；

  • Native 方法引用对象：这一种是在使用 JNI 技术时，有时候单纯的 Java 代码并不能满足我们的需求，我们可能需要在 Java 中调用 C 或 C++ 的代码，因此会使用 native 方法，JVM 内存中专门有一块本地方法栈，用来保存这些对象的引用，所以本地方法栈中引用的对象也会被作为 GC Roots。

从上图来理解可达性分析法就会非常简单，四种 GC Roots 无非是 Java 中的引用对象，从GC Roots 出发，类似于我们使用开发工具看代码，发现某部分代码用不到了，我们就会删除这部分代码。其实可达性分析法也是如此，发现某些对象不可达了，就会被垃圾回收器收集。

从上图中来看，对象 A，B，C，D，E，F 为可达对象；而对象 G，H，I，J，K 为不可达对象，会被标记为垃圾对象，最终被垃圾回收器回收。

5. 小结

本节讲解了垃圾回收回收器的定义以及垃圾回收器存在的意义，并在此基础上讲解了垃圾回收器是如何判定对象的可达性的。可达性分析法是本节的核心知识点，是必须要掌握的知识点。

在讲解 GC Roots 的知识点时，我们总是会使用 “引用对象” 这四个字，其中引用又分为 4 种引用，下节课程我们会详细的讲解。