Java实现基于清除后分配规则的垃圾回收器及其实现原理

2024 年 03 月 19 日

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在Java中，垃圾回收(Garbage Collection, GC)是自动管理内存的一种机制，它帮助开发者避免内存泄漏，确保应用稳定运行。基于清除后分配(Mark-and-Sweep)规则的垃圾回收器是一种经典的GC实现机制。此处，我们将探讨其实现原理、过程以及如何在Java中模拟实现此种类型的垃圾回收器。

基于清除后分配规则的GC实现原理

清除后分配规则的垃圾回收过程主要分为两个阶段：标记(Mark)和清除(Sweep)。

标记阶段: 从根集合(Root Set)开始遍历所有可达的对象，将这些对象标记为活跃状态。根集合通常包括全局变量，活跃的线程栈帧中的局部变量和输入参数等。
清除阶段: 遍历堆内存中的所有对象，将未被标记的对象视为垃圾，并进行回收。成功回收的内存空间可以重新用于分配新的对象。

实现步骤

以下是在Java中实现基于清除后分配规则的垃圾回收器的简化步骤：

定义对象结构: 定义一个简单的对象结构，该结构可以记录对象的标记状态和引用关系。
构建模拟堆: 创建一个模拟的堆空间，用于存放所有创建的对象实例。
标记: 实现一个标记函数，该函数从模拟的根集合出发，递归访问并标记所有可达的对象。
清除: 实现一个清除函数，遍历模拟堆中的所有对象，将未标记的对象进行回收。

Java代码实现

class MyObject {
    boolean marked = false; // 标记位
    List<MyObject> references = new ArrayList<>(); // 模拟对象引用

    // 添加引用
    void addReference(MyObject ref) {
        references.add(ref);
    }
}

public class MarkAndSweepGC {
    List<MyObject> heap = new ArrayList<>(); // 模拟的堆
    List<MyObject> rootSet = new ArrayList<>(); // 根集合

    public static void main(String[] args) {
        new MarkAndSweepGC().simulateGC();
    }

    void simulateGC() {
        // 模拟对象创建和引用
        MyObject obj1 = new MyObject();
        MyObject obj2 = new MyObject();
        rootSet.add(obj1); // 假设obj1为根对象
        obj1.addReference(obj2); // obj1引用obj2

        heap.add(obj1);
        heap.add(obj2);
        heap.add(new MyObject()); // 添加一个未被引用的对象模拟垃圾

        // 执行GC
        mark();
        sweep();

        System.out.println("GC完成，当前堆对象数量：" + heap.size());
    }

    // 标记
    void mark() {
        rootSet.forEach(this::markFrom); // 从根集合开始标记
    }

    void markFrom(MyObject obj) {
        if (!obj.marked) {
            obj.marked = true; // 标记对象
            obj.references.forEach(this::markFrom); // 递归标记引用的对象
        }
    }

    // 清除
    void sweep() {
        Iterator<MyObject> iterator = heap.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            MyObject obj = iterator.next();
            if (!obj.marked) {
                iterator.remove(); // 未标记的对象被清除
            } else {
                obj.marked = false; // 重置标记位，为下一次GC做准备
            }
        }
    }
}