JVM中有哪些算法能判定对象可回收？

垃圾回收算法中主要有两种算法判定哪些对象是否可达，哪些可以被回收。它们分别是引用计数法、可达性分析法。

重点介绍了三色标记法，它是可达性分析算法的一种具体实现策略。三色标记法是一种改进的标记过程，用于实现可达性分析中的标记步骤，特别适合并发垃圾收集器。

引用计数法是一种垃圾回收策略，主要用于管理对象的内存分配和释放。核心思想是通过计数每个对象的引用次数判定该对象是否可以回收。当一个对象的引用计数变为零时，表示没有其他对象引用它，可以安全地回收该对象占用的内存。

1.1、引用计数法的工作机制

(1) 引用计数增加：每当有一个新的引用指向对象时，该对象的引用计数加1。

(2) 引用计数减少：当某个引用被删除或指向其他对象时，原对象的引用计数减1。

(3) 内存回收：当对象的引用计数降为零时，表示没有任何其他对象引用它，内存管理器可以回收它的内存。

1.2、引用计数法的优缺点

优点

• 即时性：引用计数法可以及时回收没有引用的对象，不需要等到垃圾回收器的运行周期。

• 简单直观：容易理解和实现，因为每次引用变化都更新计数器。

缺点

• 循环引用：引用计数法无法处理循环引用的问题。如果两个或多个对象相互引用，但没有其他对象引用它们，引用计数不会降为零，导致内存泄漏。例如，A 对象引用 B，B 对象也引用 A，两者的引用计数都不会降为零。

• 维护开销：引用计数的增减会带来一定的性能开销，尤其是在对象频繁被引用或解除引用的情况下。

1.3、引用计数法的应用场景

引用计数法在现代 JVM 中不常见，但可以在一些特殊场景或手动内存管理中使用。比如Python 的内存管理主要依赖引用计数法。

可达性分析法 是现代垃圾回收器（比如 JVM ）中常用的一种算法，用来判断哪些对象是“存活”的，哪些是“垃圾”可以被回收。它通过从一组称为GC Roots的根对象出发，找到所有可以被直接或间接引用的对象。不可达的对象视为垃圾，等待回收。

2.1、可达性分析法的工作原理

(1) 确定 GC Roots：GC Roots 是一组特殊的、始终可以被直接访问的对象，通常包括：

• 程序栈中引用的对象（例如局部变量、方法调用链）。

• 静态属性引用的对象（静态变量）。

• JNI 引用的对象（即本地方法中的引用）。

(2) 从 GC Roots 出发进行遍历：从 GC Roots 开始，遍历整个对象图。每遇到一个对象，就标记它为可达对象，再递归访问该对象引用的其他对象。

(3) 判断对象是否可达：

• 如果某个对象可以从 GC Roots 路径访问到，表示它是可达的，是活跃的对象。

• 如果某个对象无法通过 GC Roots 路径访问到，表示它是不可达的，可以被回收。

2.2、可达性分析法的优缺点

优点

• 可以处理循环引用：可达性分析法不依赖于引用计数，不会因对象相互引用（形成循环）而导致无法回收。

• 灵活：现代垃圾回收器可以通过这种算法实现分代回收、标记清除、标记压缩等不同的策略。

缺点

• 性能开销：需要遍历对象图，尤其是对象图非常庞大时，分析过程可能会消耗较多时间和资源。

• 暂停应用程序：在传统的 Stop-the-World 垃圾回收中，可达性分析会暂停应用，影响实时性。因此现代垃圾回收器会使用多线程、增量式或并发方式优化这个过程。

2.3、可达性分析法的应用场景

可达性分析算法是 JVM 中默认的垃圾回收判定方法，被广泛应用在 HotSpot VM 的各大垃圾收集器中，如 G1、Shenandoah、ZGC 等。

三色标记法是一种用于垃圾回收的标记算法，常用在标记-清除和并发垃圾收集器中，是可达性分析算法在并发场景中的一种优化实现方式。它通过三种颜色（白色、灰色和黑色）标记对象的状态，跟踪哪些对象是可达的，哪些可以被回收。该算法不仅可以准确地判断存活对象，还能有效地解决并发垃圾回收中的问题，如“浮动垃圾”和“漏标”等。

3.1、三色标记法的颜色含义

白色（未访问）：表示未被垃圾收集器访问的对象。初始状态下，所有对象都是白色的。

灰色（正在访问）：表示对象已被访问，但它引用的对象还未完全访问。灰色对象必须继续扫描其引用，直到它的所有引用对象都被标记后才能变为黑色。

黑色（已访问完毕）：表示对象已被访问，并且它引用的所有对象都已被访问完毕，不再需要进一步处理。

3.2、三色标记法的工作流程

(1) 初始化阶段：从 GC Roots 出发，将所有直接引用的对象标记为灰色，剩下的对象仍然是白色。

(2) 扫描阶段：

• 每次从灰色对象集合中取出一个对象，将其引用的对象标记为灰色（如果引用对象还未被标记）。

• 该灰色对象被扫描完后，标记为黑色，表示不再需要进一步处理。

(3) 结束阶段：当灰色对象集合为空时，扫描结束。此时，所有黑色对象表示可达对象，而白色对象则是不可达的，可以被回收

3.3、三色标记法在并发收集中的问题

在并发垃圾回收中，三色标记法可能会因为用户线程的并发操作而遇到两种问题：

(1) 浮动垃圾：由于垃圾回收和应用程序同时运行，可能会出现一部分垃圾在收集结束前被标记为黑色，导致这些垃圾未被立即回收。这种“浮动垃圾”会在下一次回收时被清理掉，但会占用内存直到下次回收。

(2) 漏标：如果一个灰色对象 A 引用了一个白色对象 B，而用户线程在 A 变为黑色后将 B 从 A 移动到某个黑色对象 C，那么垃圾回收器可能会忽略 B，使 B 被错误地回收。

3.4、解决漏标问题的两种方式

(1) 增量更新：当黑色对象增加新引用时，将新引用的对象重新标记为灰色，以确保其不会被误回收。

(2) 写屏障的快照视图：在垃圾回收开始时，快照所有存活对象，并使用写屏障来记录所有被修改的引用，可以避免漏标问题。

3.5、三色标记法的优缺点

优点

• 并发性：支持并发回收，不需要长时间的应用程序暂停。

• 可达性准确：有效解决循环引用和可达性判断问题。

缺点

• 浮动垃圾：并发收集中，可能会产生一些浮动垃圾，增加下一次垃圾回收的负担。

• 性能开销：需要维护颜色状态，增量更新或写屏障操作会增加额外的性能开销。

3.6、三色标记法的实际应用

现代的垃圾回收器（如 G1、Shenandoah 和 ZGC）都会基于三色标记法进行可达性分析，确保高效的并发回收。

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原文始发于微信公众号（大象只为你）：JVM中有哪些算法能判定对象可回收？