JVM 为什么不使用引用计数算法？——深入解析 GC 策略

        在 Java 中，垃圾回收（Garbage Collection, GC）是一个至关重要的功能，它能够自动管理内存，回收不再使用的对象，从而防止内存泄漏。然而，在垃圾回收的实现上，JVM 并未采用引用计数算法（Reference Counting），而是使用了可达性分析算法（Reachability Analysis）。

那么，为什么 JVM 选择可达性分析，而不是引用计数？这篇文章将深入探讨引用计数的原理、局限性，以及 JVM 采用可达性分析的原因。

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1. 什么是引用计数算法？

1.1 引用计数算法的基本原理

引用计数是一种简单且高效的垃圾回收策略，它的核心思想是：

• 每个对象维护一个引用计数器，记录有多少个变量或其他对象引用它。

• 当有新的引用指向该对象时，计数器 +1。

• 当一个引用失效（比如变量赋值为 null）时，计数器 -1。

• 当计数器降为 0 时，说明该对象不再被任何变量或对象引用，可以被垃圾回收。

1.2 引用计数的示例

class ReferenceCountingGC {public Object instance = null;private static final int _1MB = 1024 * 1024;// 占用内存，以便观察 GC 发生情况private byte[] bigSize = new byte[2 * _1MB];public static void testGC() {ReferenceCountingGC objA = new ReferenceCountingGC();ReferenceCountingGC objB = new ReferenceCountingGC();objA.instance = objB;objB.instance = objA;objA = null;objB = null;System.gc();}public static void main(String[] args) {testGC();}
}

按照引用计数算法的逻辑：

• objA 和 objB 互相引用，导致它们的引用计数始终不为 0。

• 即使 objA = null; objB = null;，它们仍然引用彼此，引用计数不会降为 0。

• 结果：垃圾回收器无法回收这两个对象，导致内存泄漏。

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2. JVM 为什么不采用引用计数算法？

2.1 关键问题：循环引用问题

正如上面的例子所示，引用计数算法无法处理循环引用（Circular Reference）。

在 Java 这种广泛使用对象引用的语言中，循环引用的情况很常见。如果采用引用计数算法，会导致大量的对象无法被正确回收，从而引发内存泄漏，严重影响应用程序的稳定性。

解决方案？

• 可达性分析算法（Reachability Analysis），也称作可达性遍历。

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3. 可达性分析算法（JVM 的 GC 方案）

3.1 可达性分析的基本原理

JVM 采用可达性分析算法来判断对象是否存活，其核心思想是：

• 以一组**根对象（GC Roots）**作为起点。

• 从 GC Roots 开始遍历对象的引用链（Reference Chain）。

• 可达的对象被认为仍然存活，不可达的对象则会被回收。

GC Roots 包含哪些对象？

1. 栈上的局部变量（方法内的变量）。

2. 静态变量（属于类的静态字段）。

3. 运行时常量池中的引用（比如字符串常量池 String Table）。

4. 本地方法栈 JNI 引用（Native 代码引用的对象）。

5. JVM 内部特殊对象（如类加载器、异常对象等）。

3.2 可达性分析示例

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4. JVM 的四种引用类型

为了更好地管理对象，Java 1.2 之后引入了四种引用类型：

4.1 强引用（Strong Reference）

Object obj = new Object();

• 只要强引用存在，GC 永远不会回收该对象。

4.2 软引用（Soft Reference）

SoftReference<Object> softRef = new SoftReference<>(new Object());

• 适用于缓存，内存不足时才会被回收。

4.3 弱引用（Weak Reference）

WeakReference<Object> weakRef = new WeakReference<>(new Object());

• 下一次 GC 就会回收，用于存储敏感数据（如 ThreadLocal）。

• ThreadLocal 中的 ThreadLocalMap 采用了弱引用，防止内存泄漏。

4.4 虚引用（Phantom Reference）

PhantomReference<Object> phantomRef = new PhantomReference<>(new Object(), new ReferenceQueue<>());

• 对象被 GC 回收时会进入 ReferenceQueue，用于监控对象回收情况。

• 常用于管理堆外内存或跟踪对象销毁。

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5. 结论

1. JVM 不使用引用计数算法的主要原因是：无法解决循环引用问题。

2. JVM 采用可达性分析算法，通过 GC Roots 遍历对象引用链来判断对象是否存活。

3. JVM 引入四种引用类型，以增强垃圾回收的控制能力，适应不同场景需求。

JVM 的 GC 机制不断优化，比如 G1、ZGC 采用了更先进的垃圾回收策略，使得 Java 的内存管理更高效。