引用计数 vs 根可达算法：深入比较对象存活判定-Toy模板网

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前言

在 Java 中，判定对象是否存活指的是哪些不再被程序所引用，也无法通过任何方式访问的对象；具体来说，当一个对象不再被任何活动线程所引用，并且没有被其他对象所引用时，它就被认为是 “死亡” 对象；“死亡” 对象占用内存空间但不再有任何实际的用途，因此需要通过垃圾收集机制将其从内存中释放，以便重新利用内存资源；Java 垃圾收集机制会自动识别、回收这些 “死亡” 对象，无需程序员手动管理内存释放的过程

什么是垃圾？

没有引用指向或根对象不可达的引用对象，被称之为垃圾

Java 与 C++ 对垃圾的处理方式有所不同，如下：

Java：自动回收垃圾，由 GC 回收机制去自动回收，开发效率高，执行效率低
C++：手动处理垃圾，若忘记回收时，容易发生内存泄漏，回收多次，会出现非法访问问题，一般手动回收的代码（delete）会写在析构函数中；开发效率低，执行效率高

如何定位垃圾

在堆里面存放着 Java 世界中几乎所有的对象实例，垃圾收集器在对堆进行回收前，第一件事情就是要确定这些对象哪些还 “存活” 着，哪些对象已经 “死亡” 了

引用计数算法

引用计数算法（Reference Counting）：在对象中添加一个引用计数器，每当有一个其他对象引用它时，计数器值就加一；当引用失效时，计数器值就减一；任何时刻计数器为零的对象就是不可能再被使用的

引用指向一个对象，在它脑袋上写一个数字，有几个对象指向它就在它脑袋上写一个几，当这个数字变为 0 时，就说明没有任何对象指向它，即为 “垃圾”

在 Java 领域中，至少主流的 Java 虚拟机都没有选用引用计数算法来管理内存，主要原因：一个看似很简单的算法有很多例外情况要考虑，必须要配合大量额外处理才能正确地工作

譬如单纯的引用计数算法就很难解决对象之间相互引用的问题，例如：A->B、B->A，A、B 计数器的值都为 1，所以在当前算法来说不是垃圾，但从此看来，没有其他的引用会使用到它们，按理来说这几个都应该是为 “垃圾”

以上会出现的对象之间互相引用问题，通过代码来演示，看 Java JVM 中是否使用到了引用计数算法来回收垃圾，如下：

/**
 * @author vnjohn
 * @since 2023/6/29
 */
public class ReferenceCountingGC {
    public Object instance = null;

    private byte[] bigSize = new byte[2 * 1024 * 1024];

    public static void main(String[] args) {
        ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();
        ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();
        objA.instance = objB;
        objB.instance = objA;

        objA = null;
        objB = null;

        System.gc();
    }
}

调整 JVM Options 参数，增加打印 GC 回收详情信息，如下：

# 打印 GC 回收时间、GC 回收详情
-XX:+PrintGCTimeStamps -XX:+PrintGCDetails

控制台打印结果如下：

0.107: [GC (System.gc()) [PSYoungGen: 6717K->608K(76288K)] 6717K->616K(251392K), 0.0044845 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs] 
0.112: [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 608K->0K(76288K)] [ParOldGen: 8K->378K(175104K)] 616K->378K(251392K), [Metaspace: 3100K->3100K(1056768K)], 0.0026966 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs] 
Heap
 PSYoungGen      total 76288K, used 3277K [0x000000076ab00000, 0x0000000770000000, 0x00000007c0000000)
  eden space 65536K, 5% used [0x000000076ab00000,0x000000076ae334d8,0x000000076eb00000)
  from space 10752K, 0% used [0x000000076eb00000,0x000000076eb00000,0x000000076f580000)
  to   space 10752K, 0% used [0x000000076f580000,0x000000076f580000,0x0000000770000000)
 ParOldGen       total 175104K, used 378K [0x00000006c0000000, 0x00000006cab00000, 0x000000076ab00000)
  object space 175104K, 0% used [0x00000006c0000000,0x00000006c005e9e8,0x00000006cab00000)
 Metaspace       used 3130K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K
  class space    used 343K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K

重点看前面两行日志信息

年轻代：0.107: [GC (System.gc()) [PSYoungGen: 6717K（回收前大小）->608K（回收后大小）(76288K)] 6717K->616K(251392K), 0.0044845 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.00 secs]
老年代：0.112: [Full GC (System.gc()) [PSYoungGen: 608K（回收前大小）->0K（回收后大小）(76288K)] [ParOldGen: 8K->378K(175104K)] 616K->378K(251392K), [Metaspace: 3100K->3100K(1056768K)], 0.0026966 secs] [Times: user=0.01 sys=0.00, real=0.01 secs]

以上标注黄色背景的日志内容，可以看出 Java 虚拟机并没有因为这两个对象循环引用而放弃回收它们，这也从侧面说明了 Java 虚拟机并不是通过引用计数算法来判断对象是否存活的

JDK 8 默认使用的垃圾收集器：Parallel Scavenge、Parallel Old
Java中常见的垃圾收集器，如：Serial、Parallel、CMS、G1 等，并不使用引用计数算法，而是采用基于可达性分析的算法来进行垃圾回收，这个也是后面要讲到的算法

可达性分析算法

可达性分析算法（Reachability Analysis）：它是一个更广泛的概念，它是一类以可达性作为判断对象是否存活基础的算法，除了根可达算法外，还有其他的可达性分析算法，如：可达性分析与复制算法、可达性分析与标记-清除算法等

根可达算法是可达性分析算法中的一种具体实现方式，根可达算法是从一组称为 “GC Roots” 根对象开始，通过引用关系向下搜索，搜索过程所走过的过程称为 “引用链”；若某个对象到 GC Roots 间没有任何引用链相连或者用图论的方式来说就是从 GC Roots 到这个对象不可达时，则证明此对象是不可能再被使用的

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如上图，在 Java 技术体系中，固定可作为 GC Roots 对象包括以下几种：

线程栈变量：在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，譬如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等

比如：main 方法主线程开始运行，主线程栈中变量调用了其他的方法，主线程栈中的方法访问到的对象叫根对象

静态变量：在方法区类静态属性引用的对象，譬如 Java 类引用类型的静态变量

静态变量初始化，能够访问到的对象称之为根对象

常量池：在方法区中常量引用的对象，譬如字符串常量池（String Constant Pool）里面的引用

若一个 class 能够用到其他的 class 对象称之为根对象

JNI 指针：在本地方法栈中 JNI（Java Native Interface）方法引用的对象
基础数据类型 Class 对象：Java 虚拟机内部的引用，如 int 类型对应 Class 对象是 Integer.TYPE 或 int.class、long 类型对应 Class 对象是 Long.TYPE 或 long.class
常驻异常对象：Java 虚拟机内部的引用，如 NullPointException、OutOfMemoryError
系统类加载器
同步锁持有对象：被同步锁 synchronized 持有的对象

GC Roots 是垃圾收集器判断对象是否存活的起点，不同的垃圾收集器会根据 GC Roots 选择合适的垃圾回收算法来进行垃圾回收、内存管理，它们的共同协作以确保内存的有效利用和程序的正常执行

常见的垃圾回收算法：复制（Copying）算法、标记-清除（Mark-Sweep）算法、标记-整理（Mark-Compact）算法

至于很多人说还有分代算法，在我看来，分代模型应该是最准确的说法，分代算法不是指具体的一种算法，而是一种垃圾回收的策略或模型

由于对象的生命周期大部分是朝生夕死的，只有少数对象是长期存活的，基于此，垃圾收集器将堆内存划分为不同的代，分代模型将堆内存主要划分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）

G1 垃圾收集器逻辑分代，物理不分代

ZGC、Shenandoah 垃圾收集器没有物理分代，也没有逻辑分代

其他的垃圾收集器一般要么作用于新生代要么作用于老年代，例如：Parallel Scavenge-新生代、Parallel Old-老年代

关于垃圾回收算法、垃圾收集器后续文章见分晓，这里不过多展开～

总结

该篇博文讲解判定对象是否存活的条件通过什么方式去做的，引用计数器算法、根可达算法，在引用计数器算法中，通过简单的案例来演示在 Java 程序中并未通过该算法来判定对象是否存活，而是通过根可达算法去作判别的，罗列了 Java GC Roots 不同的种类，简要阐述了为下文作铺垫的垃圾回收算法、垃圾收集器，希望能先带你一起了解这方面的前置知识！

参考文献：《深入理解 Java 虚拟机》周志明著

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