GC之前

说明：该文中的GC算法讲解不仅仅局限于某种具体开发语言。

mutator

mutator 是 Edsger Dijkstra 、 琢磨出来的词，有“改变某物”的意思。说到要改变什么，那就是 GC 对象间的引用关系。不过光这么说可能大家还是不能理解，其实用一句话概括的话，它的实体就是“应用程序”。这样说就容易理解了吧。GC 就是在这个 mutator 内部精神饱满地 工作着。

mutator 实际进行的操作有以下 2 种。

• 生成对象
• 更新指针

mutator 在进行这些操作时，会同时为应用程序的用户进行一些处理(数值计算、浏览网页、 编辑文章等)。随着这些处理的逐步推进，对象间的引用关系也会“改变”。伴随这些变化会 产生垃圾，而负责回收这些垃圾的机制就是 GC。

活动对象 / 非活动对象

我们将分配到内存空间中的对象中那些能通过 mutator 引用的对象称为“活动对象”。反 过来，把分配到堆中那些不能通过程序引用的对象称为“非活动对象”。

根

根(root)这个词的意思是“根基”“根底”。在 GC 的世界里，根是指向对象的指针的“起点” 部分。

这些都是能通过 mutator 直接引用的空间。

评价标准

评价 GC 算法的性能时，我们采用以下 4 个标准。

• 吞吐量
• 最大暂停时间
• 堆使用效率
• 访问的局部性

其他信息（Java语言为例）：JVM解读-GC（垃圾回收）

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1 标记-清除法

优点

①实现简单

说到 GC 标记 - 清除算法的优点，那当然要数算法简单，实现容易了。
另外，如果算法实现简单，那么它与其他算法的组合也就相应地简单。

②与保守式 GC 算法兼容

后面介绍的保守式 GC 算法中，对象是不能被移动的。因此保守式 GC 算法跟把 对象从现在的场所复制到其他场所的 GC 复制算法与标记 - 压缩算法不兼容。

而 GC 标记 - 清除算法因为不会移动对象，所以非常适合搭配保守式 GC 算法。事实上，在很多采用保守式 GC 算法的处理程序中也用到了 GC 标记 - 清除算法。

缺点

①碎片化

在 GC 标记 - 清除算法的使用过程中会逐渐产生被细化的分块，不久后就会导致无数的 小分块散布在堆的各处。我们称这种状况为碎片化(fragmentation)。众所周知，Windows 的 文件系统也会产生这种现象。

②分配速度

GC 标记 - 清除算法中分块不是连续的，因此每次分配都必须遍历空闲链表，找到足够 大的分块。最糟的情况就是每次进行分配都得把空闲链表遍历到最后。

另一方面，因为在 GC 复制算法和 GC 标记 - 压缩算法中，分块是作为一个连续的内存 空间存在的，所以没必要遍历空闲链表，分配就能非常高速地进行，而且还能在堆允许范围 内分配很大的对象。

③与写时复制技术不兼容

写时复制技术(copy-on-write)是在 Linux 等众多 UNIX 操作系统的虚拟存储中用到的高速化方法。在 Linux 中复制进程，也就是使用 fork() 函数时，大部分内存空间都不会被复制。只是复制进程，就复制了所有内存空间的话也太说不过去了吧。因此，写时复 制技术只是装作已经复制了内存空间，实际上是将内存空间共享了。

在各个进程中访问数据时，能够访问共享内存就没什么问题了。
然而，当我们对共享内存空间进行写入时，不能直接重写共享内存。因为从其他程序访 问时，会发生数据不一致的情况。在重写时，要复制自己私有空间的数据，对这个私有空间 进行重写。复制后只访问这个私有空间，不访问共享内存。像这样，因为这门技术是“在写 入时进行复制”的，所以才被称为写时复制技术。

这样的话，GC 标记 - 清除算法就会存在一个问题 — 与写时复制技术不兼容。即使没 重写对象，GC 也会设置所有活动对象的标志位，这样就会频繁发生本不应该发生的复制， 压迫到内存空间。

2 引用计数的算法

优点

①可即刻回收垃圾

在引用计数法中，每个对象始终都知道自己的被引用数(就是计数器的值)。当被引用数 的值为 0 时，对象马上就会把自己作为空闲空间连接到空闲链表。也就是说，各个对象在变成垃圾的同时就会立刻被回收。

另一方面，在其他的 GC 算法中，即使对象变成了垃圾，程序也无法立刻判别。只有当 分块用尽后 GC 开始执行时，才能知道哪个对象是垃圾，哪个对象不是垃圾。也就是说，直 到 GC 执行之前，都会有一部分内存空间被垃圾占用。

②最大暂停时间短

在引用计数法中，只有当通过 mutator 更新指针时程序才会执行垃圾回收。也就是说， 每次通过执行 mutator 生成垃圾时这部分垃圾都会被回收，因而大幅度地削减了 mutator 的最 大暂停时间。

③没有必要沿指针查找

引用计数法和 GC 标记 - 清除算法不一样，没必要由根沿指针查找。减少沿指针查找的次数。

缺点

①计数器值的增减处理繁重

在引用计数法中，每当指针更新时，计数器的值都会随之更新，因此值的增减处理必然会变得繁重。

②计数器需要占用很多位

用于引用计数的计数器最大必须能数完堆中所有对象的引用数。

③实现烦琐复杂

引用计数的算法本身很简单，但事实上实现起来却不容易。如果漏掉了某处，内存管理就无法正确 进行，就会产生 BUG。

④循环引用无法回收

两个对象互相引用，所以各对象的计数器的值都是 1。但是这些对象 组并没有被其他任何对象引用。因此想一并回收这两个对象都不行，只要它们的计数器值都 是 1，就无法回收。

3 GC 复制算法

优点

①优秀的吞吐量

GC 标记 - 清除算法消耗的吞吐量是搜索活动对象(标记阶段)所花费的时间和搜索整体 堆(清除阶段)所花费的时间之和。

另一方面，因为 GC 复制算法只搜索并复制活动对象，所以跟一般的 GC 标记 - 清除算 法相比，它能在较短时间内完成 GC。也就是说，其吞吐量优秀。

尤其是堆越大，差距越明显。GC 标记 - 清除算法在清除阶段所花费的时间会不断增加， 但 GC 复制算法就不会产生这种消耗。毕竟它消耗的时间是与活动对象的数量成比例的。

②可实现高速分配

GC 复制算法不使用空闲链表。这是因为分块是一个连续的内存空间。比起 GC 标记 - 清除算法和引用计数法等使用空闲链表的分配，GC 复制算法明显快得多。

③不会发生碎片化

基于算法性质，活动对象被集中安排在 From 空间的开头对吧。像这 样把对象重新集中，放在堆的一端的行为就叫作压缩。在 GC 复制算法中，每次运行 GC 时 都会执行压缩。

因此 GC 复制算法有个非常优秀的特点，就是不会发生碎片化。也就是说，可以安排分 块允许范围内大小的对象。

④与缓存兼容

在 GC 复制算法中有引用关系的对象会被安排在堆里离彼此较近的位置。这种情况有一个优点，那就是 mutator 执行速度极快。这也是借助压缩来完成的，通过压缩来把有引用关系的对 象安排在堆中较近的位置。

缺点

①堆使用效率低下

GC 复制算法把堆二等分，通常只能利用其中的一半来安排对象。也就是说，只有一半 堆能被使用。相比其他能使用整个堆的 GC 算法而言，可以说这是 GC 复制算法的一个重大的缺陷。

通过搭配使用 GC 复制算法和 GC 标记 - 清除算法可以改善这个缺点。

②不兼容保守式 GC 算法

GC 标记 - 清除算法有着跟保守式 GC 算法相兼容的优点。因 为 GC 标记 - 清除算法不用移动对象。

另一方面，GC 复制算法必须移动对象重写指针，所以有着跟保守式 GC 算法不相容的 性质。

③递归调用函数

在这里介绍的算法中，复制某个对象时要递归复制它的子对象。因此在每次进行复制的 时候都要调用函数，由此带来的额外负担不容忽视。大家都知道比起这种递归算法，迭代算 法更能高速地执行

此外，因为在每次递归调用时都会消耗栈，所以还有栈溢出的可能。

4 GC标记-压缩算法

优点

①可有效利用堆

在 GC 标记 - 压缩算法中会执行压缩，和其他算法相比而言，堆利用效率高。
而且 GC 标记 - 压缩算法不会出现 GC 复制算法那样只能利用半个堆的情况。

另一方面，尽管 GC 标记 - 清除算法也能利用整个堆，但因为没有压缩的过程，所以会 产生碎片化，不能充分有效地利用堆。

缺点

①压缩花费计算成本

在 GC 标记 - 清除算法中，清除阶段也要搜索整个堆，不过搜索 1 次就够了。但 GC 标记 - 压缩算法要搜索 3 次，这样就要花费约 3 倍的时间，这是一个相当巨大的缺陷，特别是堆越 大，所消耗的成本也就越大。

4 保守式 GC

什么是保守式 GC

简单来说，保守式 GC(Conservative GC)指的是“不能识别指针和非指针的 GC”。

优点

①语言处理程序不依赖于 GC

保守式 GC 的优点在于容易编写语言处理程序。处理程序基本上不用在意 GC 就可以编 写代码。语言处理程序的实现者即使没有意识到 GC 的存在，程序也会自己回收垃圾。因此 语言处理程序的实现要比准确式 GC 简单。

缺点

①识别指针和非指针需要付出成本

②错误识别指针会压迫堆

当存在貌似指针的非指针时，保守式 GC 会把被引用的对象错误识别为活动对象。如果 这个对象存在大量的子对象，那么它们一律都会被看成活动对象。因为程序把已经死了的非 活动对象看成了活动对象，所以垃圾对象会严重压迫堆。

③能够使用的 GC 算法有限

5 分代垃圾回收

优点

①吞吐量得到改善

通过使用分代垃圾回收，可以改善 GC 所花费的时间(吞吐量)。正如 Ungar 所说的那样:“据实验表明，分代垃圾回收花费的时间是 GC 复制算法的 1/4。”可见分代垃圾 回收的导入非常明显地改善了吞吐量。

另一方面，因为老年代 GC 很费时间，所以我们没法缩短 mutator 的最大暂停时间。关 于使用分代垃圾回收来缩减 mutator 最大暂停时间的方法

缺点

①在部分程序中会起到反作用

对对象会活得很久的程序执行分代垃圾回收，就会产生以下两个问题。

• 新生代GC所花费的时间增多
• 老年代GC频繁运行

考虑到这两点，恐怕我们没法利用到分代垃圾回收的优点，或者就算利用到了，效果也 甚微。

6 增量式垃圾回收

优点

①缩短最大暂停时间

增量式垃圾回收不是一口气运行 GC，而是和 mutator 交替运行的，因此不会长时间妨碍 到 mutator 的运行。

增量式垃圾回收适合那些比起提高吞吐量，更重视缩短最大暂停时间的应用程序。

②降低了吞吐量

想要优先提高吞吐量，最大暂停时间就会增加;想要优先缩短最大暂停时间， 吞吐量就会恶化。这两者是一个权衡关系。至于要优先哪一方，则要根据应用程序而定。

参考文献：《垃圾回收的算法与实现》

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高广超：多年一线互联网研发与架构设计经验，擅长设计与落地高可用、高性能、可扩展的互联网架构。

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