Quá trình giải phóng bộ nhớ khi gán đối tượng thành null trong Java như thế nào?

Question

Nguyễn Hiền · Accepted Answer

Trong Java, việc quản lý bộ nhớ được thực hiện tự động thông qua cơ chế Garbage Collection (GC). Tuy nhiên, khi một đối tượng được gán giá trị null, nhiều người thắc mắc liệu điều này có khiến bộ nhớ được giải phóng ngay lập tức không. Để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của GC trong Java, chúng ta sẽ đi từ các khái niệm cơ bản về bộ nhớ, đối tượng và cơ chế Garbage Collection cho đến cách quản lý bộ nhớ với các đối tượng được gán thành null.

Bộ nhớ trong Java và cơ chế Garbage Collection

Java sử dụng một vùng bộ nhớ có tên là “Heap” để quản lý các đối tượng. Các đối tượng khi được khởi tạo sẽ chiếm một lượng bộ nhớ trong vùng Heap. Khi đối tượng không còn cần thiết, bộ nhớ này sẽ được thu hồi để cấp phát cho các đối tượng mới. Quá trình thu hồi này được thực hiện bởi Garbage Collector, một tiến trình chạy nền để giải phóng bộ nhớ của các đối tượng không còn được sử dụng.

Garbage Collector có hoạt động ngay khi đối tượng được gán null?

Khi một đối tượng được gán giá trị null, điều này đơn giản là làm mất tham chiếu (reference) đến đối tượng trong vùng Heap. Điều đó có nghĩa là chương trình của bạn không còn giữ “liên kết” đến đối tượng này nữa. Tuy nhiên, việc gán null không ngay lập tức khiến đối tượng bị giải phóng khỏi bộ nhớ.

Garbage Collector không hoạt động tức thì khi một đối tượng không còn tham chiếu nữa. Thay vào đó, nó thực hiện thu gom rác theo chu kỳ, hoặc khi hệ thống cần thêm bộ nhớ. Vì vậy, việc một đối tượng được gán null chỉ làm cho đối tượng trở thành ứng viên để GC thu gom trong lần chạy tiếp theo, nhưng không đảm bảo rằng bộ nhớ sẽ được giải phóng ngay lập tức.

MyObject obj = new MyObject();  // Tạo một đối tượng trong heap
obj = null;  // Gán null cho đối tượng, nhưng không giải phóng bộ nhớ ngay

Trong ví dụ trên, khi obj được gán null, đối tượng MyObject trong vùng Heap vẫn tồn tại cho đến khi GC thực sự chạy và giải phóng nó.

Thuật toán hoạt động của Garbage Collector

Garbage Collector trong Java thường sử dụng các thuật toán như Mark-and-Sweep để xác định và thu gom các đối tượng không còn được tham chiếu. Các thuật toán này hoạt động dựa trên việc kiểm tra “cây tham chiếu” (object graph), từ đó xác định các đối tượng không còn reachable (có thể truy cập được).

Quy trình Mark-and-Sweep

Mark phase: Garbage Collector sẽ bắt đầu từ các đối tượng gốc (root objects) như biến tĩnh, tham chiếu từ ngăn xếp (stack references) để đánh dấu các đối tượng có thể truy cập được. Bất kỳ đối tượng nào không được đánh dấu sẽ bị xem là không còn cần thiết.
Sweep phase: GC sẽ giải phóng bộ nhớ của các đối tượng không được đánh dấu trong bước trước.

Đối với đối tượng đã được gán null, sau khi tham chiếu bị mất, đối tượng sẽ không còn được đánh dấu và sẽ bị thu gom trong giai đoạn Sweep.

Khi nào nên gán đối tượng thành null?

Mặc dù việc gán null có thể giúp Garbage Collector biết rằng đối tượng không còn cần thiết, nhưng trong hầu hết các trường hợp, điều này không thực sự cần thiết. GC trong Java được thiết kế rất hiệu quả để tự động nhận biết và thu gom các đối tượng không còn được sử dụng. Tuy nhiên, có một số trường hợp khi việc gán null là hữu ích:

Khi bạn đang quản lý các tài nguyên lớn như tệp tin, kết nối mạng, hoặc các đối tượng chiếm nhiều bộ nhớ và bạn muốn chủ động thu hồi bộ nhớ nhanh hơn.
Khi đối tượng không còn cần thiết trong các vùng bộ nhớ lâu dài (ví dụ như trong các vòng lặp lớn hoặc các ứng dụng có thời gian chạy dài).

Trong các trường hợp thông thường, việc gán null chỉ là một tối ưu hóa nhỏ, và bạn không cần lo lắng nhiều về việc này trừ khi đang làm việc với những đối tượng đặc biệt.

Điều gì xảy ra nếu GC không được kích hoạt kịp thời?

Java không cung cấp khả năng kiểm soát trực tiếp thời điểm GC hoạt động. Nếu GC không được kích hoạt kịp thời và bộ nhớ bị thiếu hụt, chương trình có thể ném ra ngoại lệ OutOfMemoryError. Điều này thường xảy ra khi Heap đã đạt giới hạn và không còn đủ không gian để cấp phát cho các đối tượng mới.

Để ngăn chặn tình trạng này, bạn có thể tối ưu hóa bộ nhớ bằng cách:

Sử dụng các đối tượng ngắn hạn trong phương thức, tránh sử dụng biến toàn cục không cần thiết.
Sử dụng WeakReference, SoftReference hoặc PhantomReference để giảm áp lực lên bộ nhớ khi cần quản lý các đối tượng lớn.

// Ví dụ sử dụng WeakReference để giúp GC thu hồi bộ nhớ nhanh hơn
WeakReference<MyObject> weakObj = new WeakReference<>(new MyObject());

Tối ưu hóa bằng cách thủ công kích hoạt GC

Nếu muốn yêu cầu hệ thống thực hiện thu gom rác một cách thủ công, bạn có thể gọi phương thức System.gc(). Tuy nhiên, lời gọi này chỉ là một gợi ý với JVM và không đảm bảo rằng GC sẽ chạy ngay lập tức.

System.gc();  // Gợi ý hệ thống thực hiện thu gom rác

Nhìn chung, cơ chế Garbage Collection trong Java đã được tối ưu hóa để hoạt động hiệu quả mà không cần can thiệp nhiều từ lập trình viên. Việc gán null cho đối tượng không ngay lập tức giải phóng bộ nhớ, nhưng giúp đối tượng đó trở thành ứng viên để GC xử lý trong lần chạy tiếp theo. Trong các tình huống thông thường, bạn có thể yên tâm để GC tự động quản lý bộ nhớ cho các đối tượng không còn cần thiết.

Trên đây là câu trả lời cho “Nếu một đối tượng được gán thành null, Garbage Collector trong Java có giải phóng ngay bộ nhớ được giữ bởi đối tượng đó không?”