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Java实现基于清除后分配规则的垃圾回收器详解

作者:Katie。

垃圾回收是 Java 语言的一项重要特性,自动管理对象内存,防止内存泄漏和野指针问题,下面我们就来看看如何利用Java实现基于清除后分配规则的垃圾回收器吧

1. 项目介绍

垃圾回收(Garbage Collection,GC)是 Java 语言的一项重要特性,自动管理对象内存,防止内存泄漏和野指针问题。本项目的目标是使用 Java 实现一个 基于清除后分配规则(Mark-Sweep-Allocate)的垃圾回收器,模拟 Java 虚拟机(JVM)垃圾回收机制的基本过程。

项目功能

对象管理:在内存堆中分配对象,并模拟对象的使用和释放。

标记阶段(Mark):识别仍在使用的对象。

清除阶段(Sweep):清理未被引用的对象,释放空间。

分配策略(Allocate):根据清理后的内存布局,优化新对象的分配。

2. 相关知识

在实现该项目之前,需要了解以下 Java 相关知识:

2.1 Java 内存管理

Java 内存通常分为以下几个区域:

堆(Heap):用于存储对象,由 GC 进行自动管理。

栈(Stack):用于存储局部变量和方法调用。

方法区(Method Area):存储类元信息、静态变量等。

2.2 标记-清除算法(Mark-Sweep)

垃圾回收的 标记-清除算法 包括两个阶段:

标记阶段(Mark):

清除阶段(Sweep):

清除未被标记的对象,释放空间。

2.3 分配策略

在 清除后分配(Allocate) 规则下,新的对象会优先分配到已清理出的空闲内存中,而不是直接扩展堆空间。这种策略减少了内存碎片,提高了分配效率。

3. 项目实现思路

定义对象模型:

垃圾回收实现:

模拟使用:

4. 完整代码(包含详细注释)

import java.util.*;
 
/**
 * 模拟 Java 堆中的对象
 */
class HeapObject {
    private int id;       // 对象 ID
    private boolean alive; // 是否存活
 
    public HeapObject(int id) {
        this.id = id;
        this.alive = true; // 默认存活
    }
 
    public int getId() {
        return id;
    }
 
    public boolean isAlive() {
        return alive;
    }
 
    public void setAlive(boolean alive) {
        this.alive = alive;
    }
}
 
/**
 * 模拟 Java 堆管理对象及垃圾回收
 */
class Heap {
    private List<HeapObject> objects = new ArrayList<>(); // 存储所有对象
    private Set<HeapObject> roots = new HashSet<>(); // GC Roots(根对象)
 
    /**
     * 分配对象到堆中
     */
    public HeapObject allocateObject() {
        HeapObject obj = new HeapObject(objects.size() + 1);
        objects.add(obj);
        return obj;
    }
 
    /**
     * 将对象添加为 GC Root(防止回收)
     */
    public void addRootObject(HeapObject obj) {
        roots.add(obj);
    }
 
    /**
     * 移除 Root(模拟对象不再被引用)
     */
    public void removeRootObject(HeapObject obj) {
        roots.remove(obj);
    }
 
    /**
     * 运行垃圾回收(标记-清除)
     */
    public void runGarbageCollector() {
        System.out.println("========== 开始垃圾回收 ==========");
        
        // 1. 标记阶段
        markPhase();
        
        // 2. 清除阶段
        sweepPhase();
        
        // 3. 分配优化(展示可复用空间)
        compactMemory();
 
        System.out.println("========== 垃圾回收完成 ==========");
    }
 
    /**
     * 标记阶段:标记所有可达对象
     */
    private void markPhase() {
        System.out.println("[标记阶段] 识别存活对象...");
        for (HeapObject obj : objects) {
            obj.setAlive(false); // 初始设为未存活
        }
        for (HeapObject root : roots) {
            root.setAlive(true); // GC Roots 对象不会被回收
        }
    }
 
    /**
     * 清除阶段:删除未被标记的对象
     */
    private void sweepPhase() {
        System.out.println("[清除阶段] 释放不可达对象...");
        Iterator<HeapObject> iterator = objects.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            HeapObject obj = iterator.next();
            if (!obj.isAlive()) {
                System.out.println("对象 " + obj.getId() + " 被回收");
                iterator.remove();
            }
        }
    }
 
    /**
     * 内存优化:展示可复用的空间
     */
    private void compactMemory() {
        System.out.println("[分配优化] 清理后可复用的对象空间:");
        for (HeapObject obj : objects) {
            System.out.println("对象 " + obj.getId() + " 仍然存活");
        }
    }
}
 
/**
 * 测试垃圾回收器
 */
public class GarbageCollectorDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Heap heap = new Heap();
 
        // 分配对象
        HeapObject obj1 = heap.allocateObject();
        HeapObject obj2 = heap.allocateObject();
        HeapObject obj3 = heap.allocateObject();
        HeapObject obj4 = heap.allocateObject();
 
        // 设置 GC Root(模拟存活对象)
        heap.addRootObject(obj1);
        heap.addRootObject(obj3);
 
        // 运行垃圾回收
        heap.runGarbageCollector();
 
        // 移除一个 GC Root 并再次回收
        heap.removeRootObject(obj1);
        heap.runGarbageCollector();
    }
}

5. 代码解读

HeapObject:模拟堆中的对象,包含 ID 和存活状态。

Heap:

GarbageCollectorDemo:

6. 项目总结

本项目使用 Java 实现了 基于清除后分配规则的垃圾回收器,采用 Mark-Sweep-Allocate 算法,模拟 JVM 的垃圾回收过程。主要特点包括:

改进方向

本项目适合 学习 JVM 垃圾回收原理,并可扩展为更复杂的 GC 模拟器。

以上就是Java实现基于清除后分配规则的垃圾回收器详解的详细内容,更多关于Java垃圾回收器的资料请关注脚本之家其它相关文章!

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