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An Introduction to Garbage Collection(垃圾回收简介)

news 来源：原创 2024/4/29 1:11:29

1. Introduction
2. Principles
3. Advantages
4. Disadvantages
5. 常见的垃圾回收技术
- 5.1. 跟踪式垃圾回收
  - 5.1.1. 基本算法
- 5.2. 引用计数垃圾回收
- 5.3. 分代垃圾回收
- 5.4. 对象使用类型分析
6. 参考

团队项目中用Go的地方越来越多，最近打算在业余时间好好看看Golang的虚拟机实现。像Java/C#/Python一样，Go的优势之一就是将开发人员从繁重的内存管理中解放出来，本文对编程语言中常见的垃圾回收技术做一个简要的笔记。

1 Introduction

垃圾回收是一种自动的内存管理技术，它的主要任务就是防止应用程序无休止地向操作系统或Glibc不停地申请内存。通常的做法是将程序不再使用的内存释放给操作系统或运行时环境，或者回收后重复利用。垃圾回收是John McCarthy同学于1959年在Lisp语言中发明。由于引入了额外的工作，垃圾回收不可避免地会影响应用进程的实际执行时间，而且它的实现对程序性能有较大的影响。垃圾回收通常都指内存资源的回收，一些其他的资源，如网络连接、数据库连接、文件描述符等不是垃圾回收的管辖范围。

2 Principles

垃圾回收的基本原则是：

找出应用进程不再需要的数据对象
回收这些对象占用的内存

3 Advantages

垃圾回收能有效地减少因为管理内存引起的Bug：

悬挂指针
多次释放同一块内存
防止内存泄漏

4 Disadvantages

事务总有两面性，垃圾回收不可避免地会带来如下缺陷：

消耗系统的计算资源。因为垃圾回收需要对已分配的对象做额外的处理（如增加引用计数等），而且在回收算法会相当耗时。有研究称，垃圾回收会占用五倍于传统内存管理的时间。

垃圾回收所消耗的时间不可测。对于一些实时性要求较高的系统来说，这简直是噩梦。
如果在有自动垃圾回收的系统中还允许手动回收内存资源。这会是垃圾回收变得更加复杂和扑朔迷离。

5 常见的垃圾回收技术

5.1 跟踪式垃圾回收

跟踪式垃圾回收是最常用的垃圾回收技术。它的主要原则是从程序栈的若干个根对象出发，构造一个可达链，对于那些不可达的内存对象，做回收。如果一个内存对象有被程序中的至少一个变量引用（直接指向或间接指向），则认为该对象可达，否则认为该对象不可达，可以被垃圾回收。

5.1.1 基本算法

标记清除（mark-and-sweep）

基本思路是遍历以对象为节点、以引用为边构成的图，把所有可以访问到的对象打上标记，然后清扫一遍内存空间，把所有没标记的对象释放。它最大的问题是无法处理循环引用的问题，而且在GC时，需要程序中断一段时间来清理内存。
三色标记法（triple-color-marking)
应用程序的内存对象会被分发到三个集合中，它们分别是（下面将内存对象统称为元素）：
- The Write Set(白色集合)。这个集合中的元素是要被回收的
- The Black Set(黑色集合)。这个集合中的元素都是引用关系图中Root指向的元素，它们与白色集合中的元素没有任何引用关系。在做垃圾回收时，这个集合中的元素时不会被
回收的，在很多系统的实现中，这个集合在系统初始化时是空的。
- The Gray Set(灰色集合)。这个集合中的元素是被Root直接指向的。因为这些元素是Root直接指向的，所以它们在垃圾回收的时候会被移到黑色集合中。通常情况下，在系统初始化的时候，灰色集合中的元素是被Root直接指向的元素，其他所有元素都在白色集合中。系统中所有的元素在同一时刻只能存在于一个集合中。回收算法是：
＋从灰色集合中选取一个元素

＋将这个元素移入黑色集合中，并且将它指向的所有白色集合中的元素都移入灰色集合中

＋重复上面的步骤，直到灰色集合为空

此时，白色集合中的所有元素是被标记为没有任何变量引用它（直接引用或者间接引用）的元素的集合，它们是在垃圾回收时被清理掉的。因为不能从Root直接可达的元素都在白色集合中，而且元素只能从白色集合移动到灰色集合，或者从灰色集合移动到黑色集合。这就保证了白色集合中的元素没有一个是黑色集合中的元素指向的，所以在灰色集合为空时，我们可以安全地将白色集合中的元素删除。

三色标记法的一个非常重要的优势就是可以在系统运行时执行。可以在分配内存对象时将它们标记，当白色集合的容量到达一定规模时，可以启动垃圾回收算法。关于三色标记法的详细信息见维基百科

5.2 引用计数垃圾回收

基本思路是为每个对象加一个计数器，记录指向这个对象的引用数量。每次有一个新的引用指向这个对象，计数器加一；反之每次有一个指向这个对象引用被置空或者指向其他对象，计数器减一。当计数器变为 0 的时候，自动删除该对象。引用计数的优点是当某个对象的引用计数减为0时，它会马上被回收，不会对系统带来额外的中断，同时，因为此时该对象可能仍然在Cache中，所以它不会对Cache和虚拟内存系统带来额外的开销。但是它有不少缺点：一是循环引用计数的问题，有一些算法和方法专门来处理循环引用计数；二是为每个内存对象增加一个计数，会增大对象大小；三是，如果该内存对象如果被多个线程或进程使用，那么它们同时增加和减少引用计数时要考虑互斥问题，这也会给系统带来不小的开销。

5.3 分代垃圾回收

通常情况下，又很多刚分配的临时对象，有可能马上就需要被回收；反之，那些长时间没有被回收的对象，它们的生命周期往往很长，对其频繁地回收没有任何意义。分代垃圾回收器管理若干个生命周期不同的对象集合，刚分配的对象在生命周期较短的集合中，垃圾回收时优先回收生命周期较短的集合中的元素，然后把存活下来的元素移动到生命周期较长的集合中。。。。以此类推。