Java
Java虚拟机

Java虚拟机02——对象存活判断和4种引用

简介:Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和销毁的时间,有的区域随着虚拟机进程的启动而存在,有些区域则依赖用户线程的启动和结束而建立和销毁。

1. 对象存活判断

内存存活判断是每一种编程语言在运行时都需要考虑的问题之一。在Java虚拟机中,常见的有两种判断方法:引用计数器法和可达性分析法。下面就对这两种方法进行介绍。

1.1. 引用计数器法

引用计数器法是很多编程语言用来判断对象是否存活采用的方法,它的核心概念是:每个对象都有一个引用计数器,每当有一个地方引用它,计数器值就+1;当某一个引用失效时,计数器值就-1,一旦某个对象的引用计数器值为0,表示该对象不可再使用(即死亡)。

引用计数器法看似清晰简单,却存在很大的问题:循环引用造成的判断不准确。当内存中有两个对象同时引用对方,实际上这两个对象在其它地方并没有用到(即没有其他的引用),但因为它们彼此相互引用,导致两者的引用计数器值始终为1,永远不会得到回收。循环引用在其它使用引用计数器判断法的编程语言中常规的解决方式是:将两个相互引用其中的一个引用设置为“弱引用”。

在Java虚拟机中并不是使用引用计数器法,我们可以使用循环引用示例来测试一下:

Java
  • package com.coderap.gc;
  • /**
  • * JVM args -verbose:gc
  • * JDK 1.7.0_07下测试
  • */
  • public class CircleReferenceTest {
  • public CircleReferenceTest circleReferenceTest = null;
  • private byte[] buffer = new byte[1024 * 1024 * 1];
  • public static void main(String[] args) {
  • CircleReferenceTest circleReferenceTest1 = new CircleReferenceTest();
  • CircleReferenceTest circleReferenceTest2 = new CircleReferenceTest();
  • circleReferenceTest1.circleReferenceTest = circleReferenceTest2;
  • circleReferenceTest2.circleReferenceTest = circleReferenceTest1;
  • circleReferenceTest1 = null;
  • circleReferenceTest2 = null;
  • System.gc();
  • }
  • }

执行上面的代码得到打印结果:

  • [GC 1401K->368K(6528K), 0.0018400 secs]
  • [GC 1412K->1394K(6528K), 0.0016410 secs]
  • [Full GC 2431K->369K(6528K), 0.0038750 secs]

可以看到,GC操作1401K->368K(6528K)说明内存是被回收的,表明循环引用在Java中并不会出现内存泄漏,即Java并不是使用引用计数器法的。

1.2. 可达性分析法

可达性分析法基本思路就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点,从这些节点开始向下搜索,搜索所走过的路径称为引用链(Reference Chain),当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连(用图论的话来说,就是从GC Roots到这个对象不可达)时,则证明此对象是不可用的。可达性分析法可以避免循环引用导致的检测不准确问题,如果两个对象互相有关联,但是它们到GC Roots是不可达的,所以它们也会被判定为是可回收的对象。Java就是使用可达性分析法来判断对象是否可被回收的。

在Java语言中,可作为GC Roots的对象包括下面几种:

  • 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象。
  • 方法区中类静态属性引用的对象。
  • 方法区中常量引用的对象。
  • 本地方法栈中JNI(即一般说的Native方法)引用的对象。

2. finalize() 方法

可达性分析法虽然是用来判断对象是否存活的方法,但并不意味着一个对象从GC Root“不可达”时,它就会被回收。要确定一个对象真正能够被回收,至少要经历两次标记过程:

  • 如果对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链,那它将会被第一次标记并且进行一次筛选,筛选的条件是此对象是否有必要执行finalize()方法。当对象没有覆盖finalize()方法,或者finalize()方法已经被虚拟机调用过,虚拟机将这两种情况都视为“没有必要执行”。
  • 如果这个对象被判定为有必要执行finalize()方法,那么这个对象将会放置F-Queue的队列之中,并在稍后由一个由虚拟机自动建立的、低优先级的Finalizer线程去执行其finalize()方法,但并不承诺会等待它运行结束,这样做的原因是,如果一个对象在finalize()方法中执行缓慢,或者发生了死循环(更极端的情况),将很可能会导致F-Queue队列中其他对象永久处于等待,甚至导致整个内存回收系统崩溃。finalize()方法是对象逃脱死亡命运的最后一次机会,稍后GC将对F-Queue中的对象进行第二次小规模的标记,如果对象要在finalize()中成功拯救自己,那在第二次标记时它将被移除出“即将回收”的集合;如果对象这时候还没有逃脱,那基本上它就真的被回收了。

观察下面的代码:

Java
  • package com.coderap.gc;
  • public class FinalizeTest {
  • public static GCTestObject gcTestObject = null;
  • public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  • gcTestObject = new GCTestObject();
  • // 第一次回收
  • System.out.println("---------- GC First time ----------");
  • gcTestObject = null;
  • System.gc();
  • Thread.sleep(1000);
  • // 判断第一次回收结果
  • if (gcTestObject == null) {
  • System.out.println("GCTestObject Object is dead");
  • } else {
  • gcTestObject.isAlive();
  • }
  • // 第二次回收
  • System.out.println("---------- GC Second time ----------");
  • gcTestObject = null;
  • System.gc();
  • Thread.sleep(1000);
  • // 判断第二次回收结果
  • if (gcTestObject == null) {
  • System.out.println("GCTestObject Object is dead");
  • } else {
  • gcTestObject.isAlive();
  • }
  • }
  • static class GCTestObject {
  • public void isAlive() {
  • System.out.println("GCTestObject Object is alive");
  • }
  • @Override
  • protected void finalize() throws Throwable {
  • super.finalize();
  • gcTestObject = this;
  • System.out.println("finalize executed");
  • }
  • }
  • }

上面的测试代码中,整个运行过程执行了两次GC操作,每次操作后都会停顿1秒钟是为了让程序有足够的时间处理finalizer操作,运行后打印结果如下:

  • ---------- GC First time ----------
  • finalize executed
  • GCTestObject Object is alive
  • ---------- GC Second time ----------
  • GCTestObject Object is dead

可以看到,在第一次GC操作后,GCTestObject对象还是存活的,因为在第一次进行GC操作后,在GCTestObject的finalize()方法中使用FinalizeTest类的静态变量gcTestObject对GCTestObject对象进行了重新引用;而在第二次GC操作中,由于GCTestObject的finalize()方法已经执行过一次就不会再执行了,因此第二次GC会将GCTestObject对象回收掉。

finalize()方法并不推荐使用,它有以下的问题:

  • finalize()方法可能会发生引用外泄,在无意中复活对象;
  • finalize()方法是被系统调用的,调用时间不明确,不是释放资源的最佳位置,推荐在try-finally块中进行资源的释放。

3. 四类引用

在JDK 1.2之后,Java对引用的概念进行了扩充,将引用细分为4种,这4种引用强度依次逐渐减弱:

  • 强引用(Strong Reference);
  • 软引用(Soft Reference);
  • 弱引用(Weak Reference);
  • 虚引用(Phantom Reference)

这4中引用都存在于java.lang.ref包中,继承关系如下:

  • Object (java.lang)
  • ↳ Reference (java.lang.ref)
  • ↳ PhantomReference (java.lang.ref)
  • ↳ FinalReference (java.lang.ref)
  • ↳ SoftReference (java.lang.ref)
  • ↳ WeakReference (java.lang.ref)

3.1. 强引用

强引用就是指在程序代码之中普遍存在的,只要强引用还存在,垃圾收集器永远不会回收掉被引用的对象。类似于下面的代码:

  • public void test() {
  • Object obj1 = new Object();
  • Object obj2 = obj1;
  • }

其中obj1obj2都是强引用,同时因为这段代码是位于方法体内运行的,因此obj1obj2都会被分配在栈的局部变量表上,Object实例对象将分配在堆上。假如使用obj1 == obj2判断时其实是判断两个引用所指向的堆空间地址是否相同,并不是判断两个引用所指向的对象是否相等。

强引用有以下特点:

  • 强引用可以直接访问所引用的对象。
  • 强引用所引用的对象在任何时候都不会被系统回收(GC Root可达情况下),就算虚拟机发生OutOfMemoryError异常。
  • 强引用可能会导致内存泄漏。

3.2. 软引用

软引用是用来描述一些还有用但并非必需的对象。在系统将要发生内存溢出异常之前,会对软引用所指向的对象进行二次回收。如果二次回收还没有足够的内存,会抛出内存溢出异常。在JDK 1.2之后,提供了SoftReference类来实现软引用。我们观察下面的测试代码:

Java
  • package com.coderap.reference;
  • import java.lang.ref.SoftReference;
  • /**
  • * JVM args -Xms10M -Xmx10M -verbose:gc
  • * JDK 1.7.0_07下测试
  • */
  • public class SoftReferenceTest {
  • static class TestObject {
  • byte[] buffer = new byte[1024 * 1024 * 1];
  • }
  • public static void main(String[] args) {
  • TestObject testObject = new TestObject();
  • SoftReference<TestObject> objectSoftReference = new SoftReference<TestObject>(testObject);
  • testObject = null;
  • System.out.println("---------- GC First time ----------");
  • System.gc();
  • System.out.println(objectSoftReference.get());
  • byte[] buffer = new byte[(int) (1024 * 1024 * 6)];
  • System.out.println("---------- GC Second time ----------");
  • System.gc();
  • System.out.println(objectSoftReference.get());
  • }
  • }

在上面的代码中,使用-Xms10M -Xmx10M限制了堆内存的带下,然后将TestObject对象使用SoftReference进行引用,并且进行两次GC操作,可以发现,在第一次GC操作之后SoftReference引用的对象还是存活的,而在第二次GC操作之前进行了一次大内存的分配,导致第二次GC操作将SoftReference引用的对象给回收了:

  • ---------- GC First time ----------
  • [Full GC 2501K->1398K(9920K), 0.0050070 secs]
  • com.coderap.reference.SoftReferenceTest$TestObject@22cf71b7
  • [GC 1438K->1398K(9920K), 0.0001420 secs]
  • [Full GC 1398K->1398K(9920K), 0.0034460 secs]
  • [Full GC 1398K->358K(9920K), 0.0040520 secs]
  • ---------- GC Second time ----------
  • [Full GC 6681K->6494K(9920K), 0.0043230 secs]
  • null

3.3. 弱引用

弱引用也是用来描述非必需对象的,但是它的强度比软引用更弱一些,被弱引用关联的对象只能生存到下一次垃圾收集发生之前。当垃圾收集器工作时,无论当前内存是否足够,都会回收掉只被弱引用关联的对象。在JDK 1.2之后,提供了WeakReference类来实现弱引用。观察下面代码:

Java
  • package com.coderap.reference;
  • import java.lang.ref.WeakReference;
  • /**
  • * JVM args -verbose:gc
  • * JDK 1.7.0_07下测试
  • */
  • public class WeakReferenceTest {
  • static class TestObject {
  • }
  • public static void main(String[] args) {
  • TestObject testObject = new TestObject();
  • WeakReference<TestObject> objectWeakReference = new WeakReference<TestObject>(testObject);
  • testObject = null;
  • System.out.println("---------- GC First time ----------");
  • System.gc();
  • System.out.println(objectWeakReference.get());
  • }
  • }

运行后得到下面的结果:

  • ---------- GC First time ----------
  • [Full GC 1576K->382K(6464K), 0.0046410 secs]
  • null

可以发现WeakReference引用的对象直接被回收了。

注1:软引用和强引用一般可以用来引用缓存数据,缓存数据可以在虚拟机内存不够使用时被删除掉而不影响正常业务。
注2:软引用和强引用在创建时都可以手动指定一个引用队列,当它们所引用的对象将要被回收时就会加入到该引用队列,通过这个队列可以跟踪对象的回收情况。

3.4. 虚引用

虚引用也称为幽灵引用或者幻影引用,它是最弱的一种引用关系。一个对象是否有虚引用的存在,完全不会对其生存时间构成影响,也无法通过虚引用来取得一个对象实例。为一个对象设置虚引用关联的唯一目的就是能在这个对象被收集器回收时收到一个系统通知。在JDK 1.2之后,提供了PhantomReference类来实现虚引用。我们观察以下代码:

Java
  • package com.coderap.reference;
  • import java.lang.ref.PhantomReference;
  • import java.lang.ref.ReferenceQueue;
  • public class TracePhantomReference {
  • public static TracePhantomReference tracePhantomReference;
  • static ReferenceQueue<TracePhantomReference> phantomQueue = null;
  • public static class CheckRefQueue extends Thread {
  • @Override
  • public void run() {
  • while (true) {
  • if (phantomQueue != null) {
  • PhantomReference<TracePhantomReference> tracePhantomReference = null;
  • try {
  • tracePhantomReference = (PhantomReference<TracePhantomReference>) phantomQueue.remove();
  • } catch (InterruptedException e) {
  • e.printStackTrace();
  • }
  • if (tracePhantomReference != null) {
  • System.out.println("TracePhantomReference is deleted by GC");
  • }
  • }
  • }
  • }
  • }
  • public void isAlive() {
  • System.out.println("TracePhantomReference Object is alive");
  • }
  • @Override
  • protected void finalize() throws Throwable {
  • super.finalize();
  • System.out.println("TracePhantomReference finalize executed");
  • tracePhantomReference = this;
  • }
  • public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
  • Thread thread = new CheckRefQueue();
  • thread.setDaemon(true);
  • thread.start();
  • phantomQueue = new ReferenceQueue<TracePhantomReference>();
  • tracePhantomReference = new TracePhantomReference();
  • PhantomReference<TracePhantomReference> phantomRef = new PhantomReference<TracePhantomReference>(tracePhantomReference, phantomQueue);
  • System.out.println("---------- GC First time ----------");
  • tracePhantomReference = null;
  • System.gc();
  • Thread.sleep(1000);
  • if (tracePhantomReference == null) {
  • System.out.println("TracePhantomReference Object is dead");
  • } else {
  • tracePhantomReference.isAlive();
  • }
  • System.out.println("---------- GC Second time ----------");
  • tracePhantomReference = null;
  • System.gc();
  • Thread.sleep(1000);
  • if (tracePhantomReference == null) {
  • System.out.println("TracePhantomReference Object is dead");
  • } else {
  • tracePhantomReference.isAlive();
  • }
  • }
  • }

这段代码中,PhantomReference引用了创建的TracePhantomReference对象,并且为其指定了一个自定义的队列phantomQueue;同时,开启了一个守护线程,这个线程的唯一工作是不停歇地判断phantomQueue队列中是否能取到TracePhantomReference对象,如果能取到,证明TracePhantomReference对象被GC操作回收了;而TracePhantomReference类实现了finalize()方法,在该方法中执行了“自救”操作,所以需要在第二次GC操作的时候TracePhantomReference对象才会被真正的回收。运行结果如下:

  • ---------- GC First time ----------
  • TracePhantomReference finalize executed
  • TracePhantomReference Object is alive
  • ---------- GC Second time ----------
  • TracePhantomReference is deleted by GC
  • TracePhantomReference Object is dead

图书信息

深入理解Java虚拟机(第2版)

作者:周志明

出版社:机械工业出版社

出版日期:

页数:433

评分:

JVM
Java
虚拟机
java
计算机
编程
软件开发
程序设计

推荐阅读

Java虚拟机06——垃圾收集器之CMS

Java
Java虚拟机

2015-01-29 0 320

Java虚拟机在执行Java程序的过程中会把它所管理的内存划分为若干个不同的数据区域。这些区域都有各自的用途,以及创建和...

目录