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深入探究 JVM 堆的垃圾回收机制（一）— 判活

news 来源：原创 2025/8/5 15:05:31

垃圾回收分为两步：1）判定对象是否存活。2）将“消亡”的对象进行内存回收。

1 判定对象存活

可达性分析算法：通过一系列“GC Roots”对象作为起始节点集，从这些节点开始，根据引用关系向下搜索，搜索过程所走的路径为“引用链”，如果某个对象到“GC Roots”没有任何引用链相连，则判定该对象“消亡”。

强引用	正常引用，可达性分析搜索的只有强引用
软引用	关联还有用，但非必须的对象。在系统将要发生内存溢出时，会把这些对象列入回收范围。
弱引用	比软引用更弱，只能生存到下次垃圾收集发生之前。
虚引用	最弱，无法通过虚引用来取得一个对象实例。唯一作用是在则会个对象被回收时收到一个系统通知。

表 Java 的引用类型

1.1 三色标记

图可达性分析算法“三色标记”演示过程

1.1.1“对象消失”

垃圾回收器与用户线程并发执行，若以下两个条件同时成立，对象消失必然发生。

用户线程将黑色对象指向一个白色对象。
用户删除所有从灰色对象到该白色对象的引用。

注意：对于在并发期间新建的对象，JVM会把其标记为黑色或灰色。

1.1.2 写屏障

写屏障是一段嵌入在对象引用赋值操作中的代码逻辑（类似AOP）。JVM通过写屏障实现两种方式来解决上面“对象消失”的问题。

增量更新

破坏第1个条件。当黑色对象插入新指向到白色对象时，写屏障将新插入引用记录下来，等并发扫描结束，再将记录过的引用关系中黑色对象集作为根，重新扫描一次。

效率更低。

原始快照

破坏第2个条件。当灰色对象要删除指向白色对象的引用关系时，写屏障将要删除的引用关系记录下来，等并发扫描结束，再将记录过的引用关系中白色对象集作为根，重新扫描一次。

会产生浮动垃圾。

表 “对象消失”的解决方案

1.2 GC Roots 对象

主要有：1）栈中引用的对象。2）本地方法栈中引用的对象。3）方法区中静态属性引用的对象及常量引用的对象。4）JVM 内部的引用。5）被同步锁持有的对象等。

获取GC Roots 集必须在一个能保障一致性的快照中才能进行，因此需要STW（Stop The Word）。

1.2.1 栈帧

栈帧是单个线程在方法调用时在栈中分配的内存区域，用于存储方法的执行状态。每个方法从调用到执行完成，对应一个栈帧的入栈和出栈。

图栈帧内存布局

局部变量表	存储方法的参数、局部变量以及部分中间结果。以变量槽（Slot）为基本单位，每个Slot占用4个字节。对于8个字节的变量，占用两个连续的Slot。索引分配：非静态方法第0位Slot存储this引用。方法参数从第1位依次存储。局部变量按声明顺序分配Slot。
操作数栈	存储方法执行过程中的操作数。
动态链接	存储指向运行时常量池中该方法的符号引用。
方法返回地址	存储方法退出后需要返回到的调用者位置。
附加信息	行号表、局部变量表描述符等。

表栈帧内存组成

1.2.2 OopMap

收集线程需要遍历方法栈中每一个栈帧，来收集被引用的变量。如果对栈帧的局部变量表进行全表扫描，很耗时。

OopMap(ordinary object pointer Map)普通对象地图，用于描述栈帧中对象引用的位置。它通常是一个位图，每个位对应局部变量表中一个槽位。1表示该槽位有对象引用，0表示没有。例如，假设局部变量表一共有8个槽位，其中只有第1个及第3个槽位有对象引用，则OopMap表示为10100000。

一个栈帧包含多个OopMap。

1.2.3 安全点

引发引用关系变化的指令很多，无法为每一条指令都生成对应的OopMap，只会在某些位置生成，这些位置被称为安全点。

安全点选择的原则：平衡线程响应速度和性能开销。

安全点常用位置：方法调用、循环末尾、异常处理路径等。

主动式中断	主流方案，当需要GC Roots收集时，JVM在内存中设置一个标识位，用户线程每次到达安全点都会轮询标识位，如果需要中断，则主动挂起。
被动式中断	通过操作系统信号强制中断线程，如果有用户线程未到达安全点，则恢复该线程，让其到达安全点后再中断。

表安全点的实现方案

缺陷：

1）本地方法无法设置安全点。

2）对于未插入安全点但需要长时间执行的指令（如循环），如果在循环提中未插入安全点，则需要等待循环完成才能到达安全点。

3）如果线程在安全点被阻塞或sleep，因为其被唤醒的时间不能确定，JVM无法等到该线程到达安全点。

4）如果为线程阻塞或sleep指定插入安全点，则需要插入安全点的地方会增加，会加重程序的负担。

1.2.5 安全区域

在某段代码片段中，引用关系不会发生变化，这个区域任何地方开始收集GC Roots都是安全的，这个区域称为安全区域。

当用户线程执行到安全区域时，会标识自己已进入安全区域。这段时间里JVM要进行GC Roots收集就可不必中断在安全区域内的线程，当线程要离开安全区域时，会先检测JVM是否完成了GC Roots枚举，如果完成，则线程继续执行，否则等待。

安全区域的应用场景：

本地代码的执行，当用户线程进入本地方法时就标识自己进入了安全区域。
统一管理线程多种阻塞状态，只有线程处于阻塞状态，即视为进入安全区域。
避免“长时间无安全点”的僵局，如在循环体中没有安全点，则标识为进入了安全区域。

安全区域是对安全点的必要补充。

1.3 对象回收判定

要正式宣告对象死亡，最少要经历两次标记过程：

可达性分析后进行第1次标记。
对上面标记的对象进行筛选，如果这些对象实现了finalize()方法，则会调用这个方法，这是对象唯一次复活的机会，否则宣告对象死亡。