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【从零学习JVM|第八篇】深入探寻堆内存

news 来源：原创 2025/6/14 18:48:34

前言：

堆回收主要作用是清理Java堆中不再被引用的对象，释放内存空间，避免内存泄漏。它通过标记可回收对象，再用合适算法回收，保障内存高效利用。同时，堆回收机制影响程序性能，了解其原理能优化内存管理，提升应用稳定性和运行效率。

堆是 Java 运行时环境的基石，其高效管理直接决定了应用的性能、稳定性和可扩展性。深入理解堆内存机制（如分代策略、GC 算法）是 Java 开发者必备的核心技能。

接下来让我们来深入探寻堆的内存机制。

引用计数法和可达性分析法

java堆有一个最大的特点就是，自动垃圾回收，这一部分不需要我们程序员来操心，那它怎么知道什么时候把垃圾清理掉，它怎么知道哪部分是垃圾？

在Java中的对象是否可以被回收，是根据对象是否被引用来决定的。如果对象被引用了，说明改对象还要使用，不能回收。

引用计数法

核心思想： 每个对象都自带一个“小计数器”。这个计数器记录着当前有多少个“用户”正在引用（使用）它。当一个新的用户开始使用它时，计数器加 1；当一个用户用完它时，计数器减 1。每次减一后java虚拟机都会进行扫描，当发现当计数器归零时，意味着没有任何用户需要它了，系统就可以立刻把它回收。

优点：

实时性：每次执行减一操作之后，都会进行扫描，一旦发现为0，立即回收。没有延迟！这对于需要及时释放资源（如文件句柄、数据库连接、网络端口）的场景非常有利。

实现相对简单：核心逻辑就是计数器加减和归零判断，概念清晰易懂。

缺点：

频繁的计数器更新开销：每次引用和取消引用都会维护计数器，对系统的性能会有一定的影响。

计数器存储开销：每个对象都会存储一个计数器，如果对象很多，那计数器也很多。

循环引用问题 (致命弱点！)：比如，在堆中有两个对象，然后这两个对象互相引用，那他们的计数器永远都不会归零。永远都是1，它们就永远不可能被回收。

可达性分析算法

可达性分析算法（Reachability Analysis）是自动内存管理的核心算法，用于判定堆内存中的对象是否存活。其核心思想是：分为两个对象一个叫GC Roots，一个叫普通对象。通过一系列称为“GC Roots”的根对象作为起点，遍历对象引用链，所有能被遍历到的对象是“存活”的，不能被遍历到的对象是“垃圾”。

GC Roots 是垃圾回收的起点，以下对象可作为 GC Roots：

虚拟机栈中的引用对象（如方法局部变量）
理由：方法执行时栈帧中的变量正在使用，其引用的对象不能回收。
方法区中类静态属性引用的对象
理由：静态变量随类加载存在，生命周期长，引用的对象需保留。
方法区中常量引用的对象
理由：常量池中的常量引用的对象（如字符串常量）不能被回收。
本地方法栈中 JNI 引用的对象
理由：本地代码（如 C++）正在使用的 Java 对象不能被回收。
活跃线程的引用对象比如
理由：线程正在执行，其引用的对象不能回收。

一句话GC Roots 就是“程序当前绝对离不开的对象”，绝对不会被回收。

我们一直提到的有没有被引用，其实引用也分有类型。

五种引用类型

强引用 (Strong Reference)：

Object obj = new Object()这种最常见的引用，obj引用了Object 在堆中的对象，只要强引用还在，就不可能被回收。如果obj=null，这个时候堆中的对象就会被回收了。

实现方式：普通对象引用

// 创建强引用
Object obj = new Object();// 解除强引用（使对象可回收）
obj = null;

软引用 (Soft Reference)：

它是相对于强引用弱一点的引用关系，软引用指向的对象，在 内存不足，会被垃圾回收器回收。然后把这部分内存分给其他对象。

软引用本身作为一个对象，也会被回收，但其回收条件与普通对象类似：当没有任何强引用指向该软引用对象时，就会被垃圾回收器回收。

实现类：java.lang.ref.SoftReference

// 创建软引用
SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(new Object());// 获取对象（可能返回 null）
Object obj = softRef.get(); // 使用引用队列（可选）
ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
SoftReference<Object> softRefWithQueue = new SoftReference<>(new Object(), queue);

软引用在 Java 中用于实现内存敏感的缓存，适用于以下场景：

图片缓存：存储图片资源，当内存不足时自动释放，避免 OOM。
网页缓存：缓存网页内容，在内存紧张时优先回收，提升性能。
大对象缓存：缓存计算结果、数据库查询结果等，减少重复计算。
内存敏感的中间数据：存储临时计算结果，在内存不足时优雅降级。

核心优势：在保证应用正常运行的前提下，最大限度利用内存，提升性能。

软引用通常和一个引用队列一起联用

引用队列 (ReferenceQueue) 的作用：

创建软引用时传入一个引用队列
当软引用指向的对象 被垃圾回收器回收后，这个 软引用对象本身会被 JVM 自动放入关联的队列中。
程序可以定期检查这个队列，知道哪些软引用持有的对象已经被回收了，从而进行一些清理工作（例如从缓存映射中移除对应的键）。

弱引用 (Weak Reference)：

弱引用和软引用的本质区别就是，不管内存够不够它所关联的对象在垃圾回收时都会被回收。它完全不影响它所关联对象存活。

弱引用通常和引用队列搭配使用，当对象被回收时，弱引用会被放入队列，程序可借此感知对象的生命周期。

核心特点：弱引用关联的对象，在没有强引用时会被立即回收，适合需要 “自动过期” 的场景。
与软引用的区别：软引用在内存不足时才会回收对象，而弱引用只要 GC 运行就会回收（不管内存是否充足）。

实现类：java.lang.ref.WeakReference

// 创建弱引用
WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(new Object());// 获取对象（可能很快变 null）
Object obj = weakRef.get();// 典型应用：WeakHashMap
WeakHashMap<Key, Value> weakMap = new WeakHashMap<>();

为什么要用弱引用？

缓存场景：防止内存泄漏
- 例子：HashMap 存储图片对象时，若用强引用，即使图片不再被使用，也无法被回收，导致内存占用过高。而用弱引用存储键或值，当图片不再被其他地方引用时，会被 GC 自动清理，避免缓存 “占着内存不放”。
解决回调导致的内存泄漏
- 场景：GUI 程序中，窗口（Window）持有监听器（Listener）的强引用，若监听器又反向引用窗口，会形成循环引用。用弱引用定义监听器对窗口的引用，可让窗口在关闭后正常被回收。
Map 结构的弱键设计
- 比如WeakHashMap，它的键是弱引用：当键对象不再被强引用时，GC 会自动清理对应的键值对，适合实现 “临时关联” 的数据结构（如缓存自动过期）。

弱引用的特性是 “对象没有强引用时会被 GC 直接回收”，但程序无法主动知道 GC 何时回收对象。引用队列的作用就是：

当 GC 回收弱引用关联的对象时，JVM 会自动把这个弱引用对象放入队列；
程序通过监听队列，就能得知 “对象已被回收”，从而执行后续处理（如删除缓存、更新状态等）。

虚引用 (Phantom Reference)：

虚引用是所有引用类型中最弱的，必须和引用队列（ReferenceQueue）一起用，对象被回收前，虚引用会被放入队列，此时程序可以做后续处理，但对象本身已经 “必死无疑” 了。

存在的唯一目的：只是为了在对象被垃圾回收时，收到一个 “通知”，但完全不影响对象的生命周期。
使用场景：常用于管理堆外内存（比如 NIO 的 DirectBuffer）。当虚引用关联的对象被回收时，JVM 会把这个虚引用加入到一个队列里，程序可以通过监听这个队列，手动释放堆外资源（因为堆外内存不受 JVM 直接管理）。

实现类：java.lang.ref.PhantomReference

// 必须配合引用队列使用
ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();
PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(new Object(), queue);// 获取对象总是返回 null
Object obj = phantomRef.get(); // 始终为 null// 监控回收通知
Reference<?> ref = queue.remove(); // 阻塞直到有引用入队
if (ref == phantomRef) {// 对象已被回收，执行清理操作
}

虚引用和引用队列：

虚引用必须和引用队列绑定：创建虚引用时，必须传入一个引用队列实例。
对象回收时的通知机制：当虚引用关联的对象被垃圾回收器判定为可回收时，JVM 不会直接销毁这个对象，而是先把对应的虚引用放入引用队列。
程序的响应时机：程序可以通过轮询引用队列，一旦发现队列中有虚引用，就知道关联的对象即将被回收，此时可以执行后续操作（如释放堆外内存）。
避免资源泄漏：如果没有引用队列，虚引用就无法通知程序对象被回收的事件，导致程序无法及时处理堆外资源（因为堆外内存不归 JVM 管理），从而造成资源泄漏。

终结器引用 (Final Reference) ：

当对象没有强引用指向，被判定为可回收时，JVM 会先调用它finalizer方法（若重写了该方法）。这相当于让对象在 “被销毁前” 有机会执行一些清理操作，比如：

释放本地资源（如 C 语言层面的句柄）；
断开与外部资源的连接（虽然不推荐，但早期有程序这么用）；
甚至通过重新建立强引用 “自救”，避免被回收。

实现机制：JVM 内部管理

// 创建引用队列
ReferenceQueue<Object> queue = new ReferenceQueue<>();// 与引用配合使用
WeakReference<Object> ref = new WeakReference<>(new Object(), queue);// 检查队列（非阻塞）
Reference<?> polledRef = queue.poll();// 阻塞等待
try {Reference<?> removedRef = queue.remove(); // 阻塞直到有引用入队
} catch (InterruptedException e) {Thread.currentThread().interrupt();
}

它的工作过程：

当垃圾回收器检测到对象仅被终结器引用（即没有其他强引用指向该对象）时，会将其放入终结队列（Finalizer Queue）。
JVM 会启动一个低优先级的守护线程（Finalizer 线程），从队列中取出对象并调用其finalize()方法。
执行完finalize()后，对象在下一次 GC 时才会被真正回收。

但是在实际运用中不推荐

执行时机不可控：JVM 何时调用finalize()完全不确定 —— 可能在对象可回收后很久才执行，甚至因 JVM 退出而不执行，导致资源长时间无法释放（比如文件句柄占用）。
执行顺序混乱：对象的finalize()执行顺序与创建顺序无关，若多个对象存在依赖关系（如 A 依赖 B），可能出现 B 先被回收而 A 后回收的情况，导致逻辑错误。
性能开销大：JVM 需要维护终结器引用队列，处理finalize()方法的调用，尤其当大量对象重写finalize()时，会显著影响垃圾回收效率。

并且我们需要注意的是finalize方法仅仅会被执行一次。

在常规开发中虚引用和终结器引用不会使用，了解即可。

软引用和弱引用可以不使用引用队列，但是虚引用必须使用。

总结

堆内存是Java虚拟机中用于存储对象实例和数组的内存区域，是内存管理的核心部分。其主要作用包括：为对象实例分配内存空间，所有new创建的对象都在堆中存储；是垃圾回收的主要区域，JVM通过垃圾回收机制自动管理堆中对象的生命周期，回收不再被引用的对象以释放内存；支持动态内存分配，根据程序运行时的需求动态调整内存使用，满足对象创建和销毁的动态变化。堆内存的大小可通过JVM参数（如-Xms、-Xmx）配置，合理设置能优化内存使用和程序性能。

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