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Java实现基于清除后分配规则的垃圾回收器详解

开发者 https://www.devze.com 2025-03-15 12:17 出处:网络 作者: Katie。
目录1. 项目介绍2. 相关知识2.1 Java 内存管理2.2 标记-清除算法(Mark-Sweep)2.3 分配策略3. 项目实现思路4. 完整代码(包含详细注释)5. 代码解读6. 项目总结1. 项目介绍
目录
  • 1. 项目介绍
  • 2. 相关知识
    • 2.1 Java 内存管理
    • 2.2 标记-清除算法(Mark-Sweep)
    • 2.3 分配策略
  • 3. 项目实现思路
    • 4. 完整代码(包含详细注释)
      • 5. 代码解读
        • 6. 项目总结

          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(Mwww.devze.comark-Sweep)

          垃圾回收的 标记-清除算法 包括两个阶段:

          标记阶段(Mark):

          • 遍历所有可达对象(从 GC Roots 开始,如静态变量、栈变量)。
          • 标记仍然存活的对象。

          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:

          • 创建 HeapObject 类,模拟 Java 对象,包含对象 ID 和存活状态。
          • 创建 Heap 类,模拟 Java 堆,管理所有对象。

          垃圾回收实现:

          • 标记阶段:遍历对象,标记仍在使用的对象。
          • 清除阶段:清除未被标记的对象,释放空间。
          • 分配规则:优先复用清理出的空闲空间,优化内存管理。

          模拟使用:

          • 运行程序,动态分配对象并执行 GC。
          • 打印 GC 过程,观察对象的回收情况。

          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...");
             编程     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<HeapObjsject> 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:

          • allocateObject:分配对象到堆中。
          • addRootObject:设置 GC Root,防止回收。
          • markPhase:标记仍然存活的对象。
          • sweepPhase:清除未标记的对象,释放空间。
          • compactMemory:显示清理后的内存状态。

          GarbageCollectorDemo:

          • 创建对象并标记存活对象。
          • 执行垃圾回收,观察回收情况。

          6. 项目总结

          本项目使用 Java 实现了 基于清除后分配www.devze.com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:

          • 清除未被引用的对象,释放内存。
          • 标记可达对象,防止错误回收。
          • 优化对象分配,减少内存碎片。

          改进方向

          • 使用图遍历算法(如 DFS)识别所有可达对象,模拟完整 GC 过程。
          • 添加压缩阶段(Mark-Cojavascriptmpact),减少内存碎片,提高分配效率。
          • 支持不同的 GC 算法(如复制 GC、分代 GC)。

          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编程客栈(www.devze.com)其它相关文章!

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