垃圾回收算法有哪些？

说到 Java 虚拟机不得不提的一个词就是“垃圾回收”（GC，Garbage Collection），而垃圾回收的执行速度则影响着整个程序的执行效率，所以我们需要知道更多关于垃圾回收的具体执行细节，以便为我们选择合适的垃圾回收器提供理论持。

我们本课时的面试题是，如何判断一个对象是否“死亡”？垃圾回收的算法有哪些？

典型回答

垃圾回收器首先要做的就是，判断一个对象是存活状态还是死亡状态，死亡的对象将会被标识为垃圾数据并等待收集器进行清除。

判断一个对象是否为死亡状态的常用算法有两个：引用计数器算法和可达性分析算法。

引用计数算法（Reference Counting） 属于垃圾收集器最早的实现算法了，它是指在创建对象时关联一个与之相对应的计数器，当此对象被使用时加 1，相反销毁时 -1。当此计数器为 0 时，则表示此对象未使用，可以被垃圾收集器回收。

引用计数算法的优缺点很明显，其优点是垃圾回收比较及时，实时性比较高，只要对象计数器为 0，则可以直接进行回收操作；而缺点是无法解决循环引用的问题，比如以下代码：

class CustomOne {
    private CustomTwo two;
    public CustomTwo getCustomTwo() {
        return two;
    }
    public void setCustomTwo(CustomTwo two) {
        this.two = two;
    }
}
class CustomTwo {
    private CustomOne one;
    public CustomOne getCustomOne() {
        return one;
    } 
    public void setCustomOne(CustomOne one) {
        this.one = one;
    }
}
public class RefCountingTest {
    public static void main(String[] args) {
        CustomOne one = new CustomOne();
        CustomTwo two = new CustomTwo();
        one.setCustomTwo(two);
        two.setCustomOne(one);
        one = null;
        two = null;
    }
}

即使 one 和 two 都为 null，但因为循环引用的问题，两个对象都不能被垃圾收集器所回收。

可达性分析算法（Reachability Analysis） 是目前商业系统中所采用的判断对象死亡的常用算法，它是指从对象的起点（GC Roots）开始向下搜索，如果对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时，也就是说此对象到 GC Roots 不可达时，则表示此对象可以被垃圾回收器所回收，如下图所示：

当确定了对象的状态之后（存活还是死亡）接下来就是进行垃圾回收了，垃圾回收的常见算法有以下几个：

• 标记-清除算法；
• 标记-复制算法；
• 标记-整理算法。

标记-清除（Mark-Sweep）算法属于最早的垃圾回收算法，它是由标记阶段和清除阶段构成的。标记阶段会给所有的存活对象做上标记，而清除阶段会把没有被标记的死亡对象进行回收。而标记的判断方法就是前面讲的引用计数算法和可达性分析算法。

标记-清除算法的执行流程如下图所示：

从上图可以看出，标记-清除算法有一个最大的问题就是会产生内存空间的碎片化问题，也就是说标记-清除算法执行完成之后会产生大量的不连续内存，这样当程序需要分配一个大对象时，因为没有足够的连续内存而导致需要提前触发一次垃圾回收动作。

标记-复制算法是标记-清除算法的一个升级，使用它可以有效地解决内存碎片化的问题。它是指将内存分为大小相同的两块区域，每次只使用其中的一块区域，这样在进行垃圾回收时就可以直接将存活的东西复制到新的内存上，然后再把另一块内存全部清理掉。这样就不会产生内存碎片的问题了，其执行流程如下图所示：

标记-复制的算法虽然可以解决内存碎片的问题，但同时也带来了新的问题。因为需要将内存分为大小相同的两块内存，那么内存的实际可用量其实只有原来的一半，这样此算法导致了内存的可用率大幅降低了。

标记-整理算法的诞生晚于标记-清除算法和标记-复制算法，它也是由两个阶段组成的：标记阶段和整理阶段。其中标记阶段和标记-清除算法的标记阶段一样，不同的是后面的一个阶段，标记-整理算法的后一个阶段不是直接对内存进行清除，而是把所有存活的对象移动到内存的一端，然后把另一端的所有死亡对象全部清除，执行流程图如下图所示：

考点分析

本题目考察的是关于垃圾收集的一些理论算法问题，都属于概念性的问题，只要深入理解之后还是挺容易记忆的。和此知识点相关的面试题还有这些：

• Java 中可作为 CG Roots 的对象有哪些？
• 说一下死亡对象的判断细节？

知识扩展

GC Roots

在 Java 中可以作为 GC Roots 的对象，主要包含以下几个：

• 所有被同步锁持有的对象，比如被 synchronize 持有的对象；
• 字符串常量池里的引用（String Table）；
• 类型为引用类型的静态变量；
• 虚拟机栈中引用对象；
• 本地方法栈中的引用对象。

死亡对象判断

当使用可达性分析判断一个对象不可达时，并不会直接标识这个对象为死亡状态，而是先将它标记为“待死亡”状态再进行一次校验。校验的内容就是此对象是否重写了 finalize() 方法，如果该对象重写了 finalize() 方法，那么这个对象将会被存入到 F-Queue 队列中，等待 JVM 的 Finalizer 线程去执行重写的 finalize() 方法，在这个方法中如果此对象将自己赋值给某个类变量时，则表示此对象已经被引用了。因此不能被标识为死亡状态，其他情况则会被标识为死亡状态。

以上流程对应的示例代码如下：

public class FinalizeTest {
    // 需要状态判断的对象
    public static FinalizeTest Hook = null;
    @Override
    protected void finalize() throws Throwable {
        super.finalize();
        System.out.println("执行了 finalize 方法");
        FinalizeTest.Hook = this;
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Hook = new FinalizeTest();
        // 卸载对象，第一次执行 finalize()
        Hook = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500); // 等待 finalize() 执行
        if (Hook != null) {
            System.out.println("存活状态");
        } else {
            System.out.println("死亡状态");
        }
        // 卸载对象，与上一次代码完全相同
        Hook = null;
        System.gc();
        Thread.sleep(500); // 等待 finalize() 执行
        if (Hook != null) {
            System.out.println("存活状态");
        } else {
            System.out.println("死亡状态");
        }
    }
}

上述代码的执行结果为：

执行了 finalize 方法
存活状态
死亡状态

从结果可以看出，卸载了两次对象，第一次执行了 finalize() 方法，成功地把自己从待死亡状态拉了回来；而第二次同样的代码却没有执行 finalize() 方法，从而被确认为了死亡状态，这是因为任何对象的 finalize() 方法都只会被系统调用一次。

虽然可以从 finalize() 方法中把自己从死亡状态“拯救”出来，但是不建议这样做，因为所有对象的 finalize() 方法只会执行一次。因此同样的代码可能产生的结果是不同的，这样就给程序的执行带来了很大的不确定性。

小结

本课时讲了对象状态判断的两种算法：引用计数算法和可达性分析算法。其中引用计数算法无法解决循环引用的问题，因此对于绝大多数的商业系统来说使用的都是可达性分析算法；同时还讲了垃圾回收的三种算法：标记-清除算法、标记-复制算法、标记-整理算法，其中，标记-清除算法会带来内存碎片的问题，而标记-复制算法会降低内存的利用率。所以，标记-整理算法算是一个不错的方案。