1. 概述
在本教程中，我们将了解垃圾回收如何处理静态字段。此外，我们还将涉及类加载和类对象等主题。在本文之后，我们将更好地理解类、类加载器和静态字段之间的联系以及垃圾回收器如何处理它们。
2. Java垃圾回收概述
Java提供了一个非常好的自动内存管理功能。在大多数情况下，这种方法不如手动有效。但是，它有助于避免难以调试的问题并减少样板代码。此外，随着垃圾回收的改进，这个过程变得越来越好。因此，我们应该回顾一下垃圾回收器的工作原理，以及我们的应用程序中有哪些垃圾。
2.1 垃圾对象
引用计数是识别垃圾对象最直接、最直观的方法。这种方法允许我们检查当前对象是否有任何对它的引用。然而，这种方法有一些缺点，其中最重要的是循环引用。
处理循环引用的方法之一是跟踪。当对象与应用程序的垃圾回收根没有任何链接时，它们就会变成垃圾。
2.2 静态字段和类对象
在Java中，一切都是对象，包括类的定义。它们包含有关类、方法和静态字段值的所有元信息。因此，所有静态字段都是受尊重的class对象的引用。因此，在类对象存在并被应用程序引用之前，静态字段将不符合垃圾回收条件。
同时，所有加载的类都有对用于加载该特定类的类加载器的引用。这样，我们可以跟踪加载的类。
在这种情况下，我们有一个引用层次结构。类加载器保留对所有加载类的引用。同时，类存储对各自类加载器的引用。在这种情况下，我们有双向引用。每当我们实例化一个新对象时，它都会持有对其类定义的引用。因此，我们有以下层次结构：
在我们的应用程序具有对类的引用之前，我们不能卸载它。让我们检查一下我们需要什么才能使类定义符合垃圾回收的条件。首先，应用程序不应引用类的实例。这很重要，因为所有实例都引用了它们的类。其次，这个类的类加载器应该不能从应用程序中获得。最后，类本身在应用程序中不应有任何引用。
3. 垃圾回收静态字段示例
让我们创建一个示例，让垃圾回收器删除我们的静态字段。JVM支持对扩展类加载器和系统类加载器加载的类进行类卸载。但是，这将很难重现，我们将为此使用自定义类加载器，因为我们将对其进行更多控制。
3.1 自定义类加载器
首先，让我们创建自己的CustomClassloader将从我们应用程序的资源文件夹中加载一个类。为了让我们的类加载器工作，我们应该覆盖loadClass(String name)方法：
public class CustomClassloader extends ClassLoader {
public static final String PREFIX = "cn.tuyucheng.taketoday.classloader";
public CustomClassloader(ClassLoader parent) {
super(parent);
}
@Override
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
if (name.startsWith(PREFIX)) {
return getClass(name);
} else {
return super.loadClass(name);
}
}
// ...
}
在此实现中，我们使用getClass方法，该方法隐藏了从资源加载类的复杂性：
private Class<?> getClass(String name) {
String fileName = name.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
try {
byte[] byteArr = IOUtils.toByteArray(getClass().getClassLoader().getResourceAsStream(fileName));
Class<?> c = defineClass(name, byteArr, 0, byteArr.length);
resolveClass(c);
return c;
} catch (IOException e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
3.2 文件夹结构
为了正常工作，我们的自定义类应该在我们的类路径范围之外。这样，它就不会被系统类加载器检测。唯一处理这个特定类的类加载器将是我们的CustomClassloader。
我们文件夹的结构如下所示：
3.3 静态字段持有者
我们将使用一个自定义类来充当静态字段的持有者，在定义了类加载器的实现之后，我们可以使用它来上传我们准备好的类。这是一个简单的类：
public class GarbageCollectedStaticFieldHolder {
private static GarbageCollectedInnerObject garbageCollectedInnerObject = new GarbageCollectedInnerObject("Hello from a garbage collected static field");
public void printValue() {
System.out.println(garbageCollectedInnerObject.getMessage());
}
}
3.4 静态字段类
GarbageCollectedInnerObject将表示我们想要变成垃圾的对象。为了简单和方便，此类定义在与GarbageCollectedStaticFieldHolder相同的文件中。此类包含一条消息，并且还重写了finalize()方法。尽管finalize()方法已被弃用并且有很多缺点，但它可以让我们可视化垃圾回收器何时移除对象。我们仅将此方法用于演示目的。下面我们的静态字段类：
class GarbageCollectedInnerObject {
private final String message;
public GarbageCollectedInnerObject(final String message) {
this.message = message;
}
public String getMessage() {
return message;
}
@Override
protected void finalize() {
System.out.println("The object is garbage now");
}
}
3.5 上传类
现在我们可以上传并实例化我们的类了。创建实例后，我们可以确保类已上传，对象已创建，静态字段包含所需信息：
private static void loadClass() {
try {
final String className = "cn.tuyucheng.taketoday.classloader.GarbageCollectedStaticFieldHolder";
CustomClassloader loader = new CustomClassloader(Main.class.getClassLoader());
Class<?> clazz = loader.loadClass(className);
Object instance = clazz.getConstructor().newInstance();
clazz.getMethod(METHOD_NAME).invoke(instance);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
}
这个方法应该创建我们特殊类的实例并输出消息：
Hello from a garbage collected static field
3.6 垃圾回收实践
现在让我们启动我们的应用程序并尝试删除垃圾：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
loadClass();
System.gc();
Thread.sleep(1000);
}
调用loadClass()方法后，该方法中的所有变量，即类加载器、我们的类和实例，都将超出范围并失去与垃圾回收根的连接。也可以将null分配给引用，但使用范围的选项更清晰：
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
CustomClassloader loader;
Class<?> clazz;
Object instance;
try {
final String className = "cn.tuyucheng.taketoday.classloader.GarbageCollectedStaticFieldHolder";
loader = new CustomClassloader(GarbageCollectionNullExample.class.getClassLoader());
clazz = loader.loadClass(className);
instance = clazz.getConstructor().newInstance();
clazz.getMethod(METHOD_NAME).invoke(instance);
} catch (Exception e) {
throw new RuntimeException(e);
}
loader = null;
clazz = null;
instance = null;
System.gc();
Thread.sleep(1000);
}
尽管这段代码存在一些问题，但它在大多数情况下都能正常工作。主要问题是我们不能在Java中强制进行垃圾回收，并且System.gc()的调用不能保证垃圾回收一定会发生。然而，在大多数JVM实现中，这将触发Major GC。因此，我们应该在输出中看到以下几行：
Hello from a garbage collected static field
The object is garbage now
这个输出告诉我们垃圾回收器删除了静态字段。垃圾回收器还删除了类加载器、持有者的类、静态字段和连接的对象。
3.7 不使用System.gc()的示例
我们还可以更自然地触发垃圾回收，这样方式会更稳定。但是，它需要更多的周期来调用垃圾回收器：
public static void main(String[] args) {
while (true) {
loadClass();
}
}
这里我们使用相同的loadClass()方法，但我们不调用System.gc()，并且垃圾回收器会在内存不足时触发，因为我们在无限循环中加载类。
4. 总结
本文向我们介绍了垃圾回收在Java中如何针对类和静态字段进行工作。我们创建了一个自定义类加载器并将其用于我们的示例。此外，我们了解了类加载器、类及其静态字段之间的联系。为了进一步理解，值得阅读文本中链接的文章。
与往常一样，本教程的完整源代码可在GitHub上获得。
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