JVM源码分析之FinalReference完全解读

概述

Java对象引用体系除了强引用之外，出于对性能、可扩展性等方面考虑还特地实现了4种其他引用： SoftReference 、 WeakReference 、 PhantomReference 、 FinalReference ，本文主要想讲的是 FinalReference ，因为当使用内存分析工具，比如zprofiler、mat等，分析一些oom的heap时，经常能看到 java.lang.ref.Finalizer 占用的内存大小远远排在前面，而这个类占用的内存大小又和我们这次的主角 FinalReference 有着密不可分的关系。

FinalReference 及关联的内容可能给我们留下如下印象：

• 自己代码里从没有使用过；
• 线程dump之后，会看到一个叫做 Finalizer 的Java线程；
• 偶尔能注意到 java.lang.ref.Finalizer 的存在；
• 在类里可能会写 finalize 方法。

那 FinalReference 到底存在的意义是什么，以怎样的形式和我们的代码相关联呢？这是本文要理清的问题。

JDK中的FinalReference

首先我们看看 FinalReference 在JDK里的实现：

class FinalReference<T> extends Reference<T> {      public FinalReference(T referent, ReferenceQueue<? super T> q) {         super(referent, q);     }  }

大家应该注意到了类访问权限是package的，这也就意味着我们不能直接去对其进行扩展，但是JDK里对此类进行了扩展实现 java.lang.ref.Finalizer ，这个类在概述里提到的过，而此类的访问权限也是package的，并且是final的，意味着它不能再被扩展了，接下来的重点我们围绕 java.lang.ref.Finalizer 展开。(PS：后续讲的 Finalizer 其实也是在说 FinalReference 。)

final class Finalizer extends FinalReference { /* Package-private; must be in               same package as the Reference               class */  /* A native method that invokes an arbitrary object's finalize method is     required since the finalize method is protected   */  static native void invokeFinalizeMethod(Object o) throws Throwable;  private static ReferenceQueue queue = new ReferenceQueue();  private static Finalizer unfinalized = null;  private static final Object lock = new Object();  private Finalizer   next = null,   prev = null;  private Finalizer(Object finalizee) {   super(finalizee, queue);   add();  }  /* Invoked by VM */  static void register(Object finalizee) {   new Finalizer(finalizee);  }    private void add() {   synchronized (lock) {    if (unfinalized != null) {     this.next = unfinalized;     unfinalized.prev = this;    }    unfinalized = this;   }  }  ...    }   

Finalizer的构造函数

Finalizer 的构造函数提供了以下几个关键信息：

• private ：意味着我们无法在当前类之外构建这类的对象；
• finalizee 参数： FinalReference 指向的对象引用；
• 调用 add 方法：将当前对象插入到 Finalizer 对象链里，链里的对象和 Finalizer 类静态关联。言外之意是在这个链里的对象都无法被GC掉，除非将这种引用关系剥离（因为 Finalizer 类无法被unload）。

虽然外面无法创建 Finalizer 对象，但是它有一个名为 register 的静态方法，该方法可以创建这种对象，同时将这个对象加入到 Finalizer 对象链里，这个方法是被vm调用的，那么问题来了，vm在什么情况下会调用这个方法呢？

Finalizer对象何时被注册到Finalizer对象链里

类的修饰有很多，比如final，abstract，public等，如果某个类用final修饰，我们就说这个类是final类，上面列的都是语法层面我们可以显式指定的，在JVM里其实还会给类标记一些其他符号，比如 finalizer ，表示这个类是一个 finalizer 类（为了和 java.lang.ref.Fianlizer 类区分，下文在提到的 finalizer 类时会简称为f类），GC在处理这种类的对象时要做一些特殊的处理，如在这个对象被回收之前会调用它的 finalize 方法。

如何判断一个类是不是一个f类

在讲这个问题之前，我们先来看下 java.lang.Object 里的一个方法

    protected void finalize() throws Throwable { }

在 Object 类里定义了一个名为 finalize 的空方法，这意味着Java里的所有类都会继承这个方法，甚至可以覆写该方法，并且根据方法覆写原则，如果子类覆盖此方法，方法访问权限至少protected级别的，这样其子类就算没有覆写此方法也会继承此方法。

而判断当前类是否是f类的标准并不仅仅是当前类是否含有一个参数为空，返回值为void的 finalize 方法，还要求 finalize方法必须非空 ，因此Object类虽然含有一个 finalize 方法，但它并不是f类，Object的对象在被GC回收时其实并不会调用它的 finalize 方法。

需要注意的是，类在加载过程中其实就已经被标记为是否为f类了。（JVM在类加载的时候会遍历当前类的所有方法，包括父类的方法，只要有一个参数为空且返回void的非空 finalize 方法就认为这个类是f类。）

f类的对象何时传到Finalizer.register方法

对象的创建其实是被拆分成多个步骤的，比如 A a=new A(2) 这样一条语句对应的字节码如下：

0: new           #1                  // class A 3: dup 4: iconst_2 5: invokespecial #11                 // Method "<init>":(I)V

先执行new分配好对象空间，然后再执行invokespecial调用构造函数，JVM里其实可以让用户在这两个时机中选择一个，将当前对象传递给 Finalizer.register 方法来注册到 Finalizer 对象链里，这个选择取决于是否设置了 RegisterFinalizersAtInit 这个vm参数，默认值为true，也就是在构造函数返回之前调用 Finalizer.register 方法，如果通过 -XX:-RegisterFinalizersAtInit 关闭了该参数，那将在对象空间分配好之后将这个对象注册进去。

另外需要提醒的是，当我们通过clone的方式复制一个对象时，如果当前类是一个f类，那么在clone完成时将调用 Finalizer.register 方法进行注册。

hotspot如何实现f类对象在构造函数执行完毕后调用Finalizer.register

这个实现比较有意思，在这简单提一下，我们知道执行一个构造函数时，会去调用父类的构造函数，主要是为了初始化继承自父类的属性，那么任何一个对象的初始化最终都会调用到 Object 的空构造函数里（任何空的构造函数其实并不空，会含有三条字节码指令，如下代码所示），为了不对所有类的构造函数都埋点调用 Finalizer.register 方法，hotspot的实现是，在初始化 Object 类时将构造函数里的 return 指令替换为 _return_register_finalizer 指令，该指令并不是标准的字节码指令，是hotspot扩展的指令，这样在处理该指令时调用 Finalizer.register 方法，以很小的侵入性代价完美地解决了这个问题。

0: aload_0 1: invokespecial #21                 // Method java/lang/Object."<init>":()V 4: return

f类对象的GC回收

FinalizerThread线程

在 Finalizer 类的 clinit 方法（静态块）里，我们看到它会创建一个 FinalizerThread 守护线程，这个线程的优先级并不是最高的，意味着在CPU很紧张的情况下其被调度的优先级可能会受到影响

  private static class FinalizerThread extends Thread {  private volatile boolean running;  FinalizerThread(ThreadGroup g) {   super(g, "Finalizer");  }  public void run() {   if (running)    return;   running = true;   for (;;) {    try {     Finalizer f = (Finalizer)queue.remove();     f.runFinalizer();    } catch (InterruptedException x) {     continue;    }   }  } } static {  ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();  for (ThreadGroup tgn = tg;    tgn != null;    tg = tgn, tgn = tg.getParent());  Thread finalizer = new FinalizerThread(tg);  finalizer.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY - 2);  finalizer.setDaemon(true);  finalizer.start(); } 

这个线程用来从queue里获取 Finalizer 对象，然后执行该对象的 runFinalizer 方法，该方法会将 Finalizer 对象从 Finalizer 对象链里剥离出来，这样意味着下次GC发生时就可以将其关联的f对象回收了，最后将这个 Finalizer 对象关联的f对象传给一个native方法 invokeFinalizeMethod

private void runFinalizer() {   synchronized (this) {    if (hasBeenFinalized()) return;    remove();   }   try {    Object finalizee = this.get();    if (finalizee != null && !(finalizee instanceof java.lang.Enum)) {     invokeFinalizeMethod(finalizee);     /* Clear stack slot containing this variable, to decrease        the chances of false retention with a conservative GC */     finalizee = null;    }   } catch (Throwable x) { }   super.clear();  }  static native void invokeFinalizeMethod(Object o) throws Throwable;  

其实 invokeFinalizeMethod 方法就是调了这个f对象的finalize方法，看到这里大家应该恍然大悟了，整个过程都串起来了。

JNIEXPORT void JNICALL Java_java_lang_ref_Finalizer_invokeFinalizeMethod(JNIEnv *env, jclass clazz,               jobject ob) {  jclass cls;  jmethodID mid;  cls = (*env)->GetObjectClass(env, ob);  if (cls == NULL) return;  mid = (*env)->GetMethodID(env, cls, "finalize", "()V");  if (mid == NULL) return;  (*env)->CallVoidMethod(env, ob, mid); } 

f对象的finalize方法抛出异常会导致FinalizeThread退出吗

不知道大家有没有想过如果f对象的 finalize 方法抛了一个没捕获的异常，这个 FinalizerThread 会不会退出呢，细心的读者看上面的代码其实就可以找到答案， runFinalizer 方法里对 Throwable 的异常进行了捕获，因此不可能出现 FinalizerThread 因异常未捕获而退出的情况。

f对象的finalize方法会执行多次吗

如果我们在f对象的 finalize 方法里重新将当前对象赋值，变成可达对象，当这个f对象再次变成不可达时还会执行 finalize 方法吗？答案是否定的，因为在执行完第一次 finalize 方法后，这个f对象已经和之前的 Finalizer 对象剥离了，也就是下次GC的时候不会再发现 Finalizer 对象指向该f对象了，自然也就不会调用这个f对象的 finalize 方法了。

Finalizer对象何时被放到ReferenceQueue里

除了这里接下来要介绍的环节之外，整个过程大家应该都比较清楚了。

当GC发生时，GC算法会判断f类对象是不是只被 Finalizer 类引用（f类对象被 Finalizer 对象引用，然后放到 Finalizer 对象链里），如果这个类仅仅被 Finalizer 对象引用，说明这个对象在不久的将来会被回收，现在可以执行它的 finalize 方法了，于是会将这个 Finalizer 对象放到 Finalizer 类的 ReferenceQueue 里，但是这个f类对象其实并没有被回收，因为 Finalizer 这个类还对它们保持引用，在GC完成之前，JVM会调用 ReferenceQueue 中lock对象的notify方法（当 ReferenceQueue 为空时， FinalizerThread 线程会调用 ReferenceQueue 的lock对象的wait方法直到被JVM唤醒），此时就会执行上面FinalizeThread线程里看到的其他逻辑了。

Finalizer导致的内存泄露

这里举一个简单的例子，我们使用挺广的Socket通信， SocksSocketImpl 的父类其实就实现了 finalize 方法:

/**  * Cleans up if the user forgets to close it.  */ protected void finalize() throws IOException {     close(); }

其实这么做的主要目的是万一用户忘记关闭Socket，那么在这个对象被回收时能主动关闭Socket来释放一些系统资源，但是如果用户真的忘记关闭，那这些 socket 对象可能因为 FinalizeThread 迟迟没有执行这些 socket 对象的 finalize 方法，而导致内存泄露，这种问题我们碰到过多次，因此对于这类情况除了大家好好注意貌似没有什么更好的方法了，该做的事真不能省.

Finalizer的客观评价

上面的过程基本对 Finalizer 的实现细节进行了完整剖析，Java里我们看到有构造函数，但是并没有看到析构函数一说， Finalizer 其实是实现了析构函数的概念，我们在对象被回收前可以执行一些“收拾性”的逻辑，应该说是一个特殊场景的补充，但是这种概念的实现给f对象生命周期以及GC等带来了一些影响：

• f对象因为 Finalizer 的引用而变成了一个临时的强引用，即使没有其他的强引用，还是无法立即被回收；
• f对象至少经历两次GC才能被回收，因为只有在 FinalizerThread 执行完了f对象的 finalize 方法的情况下才有可能被下次GC回收，而有可能期间已经经历过多次GC了，但是一直还没执行f对象的 finalize 方法；
• CPU资源比较稀缺的情况下 FinalizerThread 线程有可能因为优先级比较低而延迟执行f对象的 finalize 方法；
• 因为f对象的 finalize 方法迟迟没有执行，有可能会导致大部分f对象进入到old分代，此时容易引发old分代的GC，甚至Full GC，GC暂停时间明显变长；
• f对象的 finalize 方法被调用后，这个对象其实还并没有被回收，虽然可能在不久的将来会被回收。

作者简介

李嘉鹏花名寒泉子，使用「你假笨」的ID混迹网络，蚂蚁金服高级研发工程师。本科毕业四年多，一直待在支付宝，先后从事过监控系统、框架容器以及性能分析系统等研发工作，其中从事框架容器三年多，主要负责开发支付宝的统一编程框架sofa，2014年下半年开始重点从事性能分析系统的研发工作并于年底加入JVM团队。

感谢丁晓昀对本文的审校。

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