垃圾回收原來是這麼回事

2021-02-13 ImportNew

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來源：翟志軍，

showme.codes/2017-02-04/what-is-gc/

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摘要：John McCarthy身為Lisp之父和人工智慧之父，同時，他也是GC之父。1960年，他在其論文中首次發布了GC算法（其實是委婉的提出）。而Java的前身Oak是在1990發布的，利用JVM實現了跨平臺。GC因此一舉成名。

最近想複習一下JVM的知識。然後發現網上不少文章在寫JVM的垃圾回收算法時，都比較偏向於具體實現，而少有站在更高角度來看垃圾回收算法的文章。而我本人想對垃圾回收算法有個全景的認識，所以，就找到了這本《垃圾回收的算法與實現》（以下簡稱《垃圾回收》）。本篇博客就是嘗試對「全景」的總結。

以下為方便討論，垃圾回收縮寫成GC。

為什麼要有GC

我時而聽到C++程式設計師說我們是被GC慣壞了的一代。的確是這樣的，我本人在學習GC算法時，大腦裡第一問題就是為什麼需要GC這樣的東西。說明我已經認為GC是理所當然了。

總的一句話：沒有GC的世界，我們需要手動進行內存管理，而手動內存管理是純技術活，又容易出錯。

既然我們寫的大多程序都是為了解決現實業務問題，那麼，我們為什麼不把這種純技術活自動化呢？但是自動化，也是有代價的。 這是我的個人理解，不代表John McCarthy本人的理解。

「垃圾」的定義

首先，我們要給個「垃圾」的定義，才能進行回收吧。書中給出的定義： > 把分配到堆中那些不能通過程序引用的對象稱為非活動對象，也就是死掉的對象，我們稱為「垃圾」。

GC的定義

因為我們期望讓內存管理變得自動（只管用內存，不管內存的回收），我們就必須做兩件事情： > 1. 找到內存空間裡的垃圾 > 2. 回收垃圾，讓程式設計師能再次利用這部分空間 [1] 只要滿足這兩項功能的程序，就是GC，不論它是在JVM中，還是在Ruby的VM中。

但這只是兩個需求，並沒有說明GC應該何時找垃圾，何時回收垃圾等等更具體的問題，各類GC算法就是在這些更具體問題的處理方式上施展手腳。

GC的歷史

John McCarthy身為Lisp之父和人工智慧之父，同時，他也是GC之父。1960年，他在其論文中首次發布了GC算法（其實是委婉的提出😂）。

標記-清除算法 由John McCarthy在1960年提出

引用計數法 由George E. Collins在1960年提出 此算法會有循環引用問題，Harold McBeth 1963年指出。

複製算法 由Marvin L. Minsky在1963年提出

《垃圾回收》的作者認為：

從50年前GC算法首次發布以來，眾多研究者對其進行了各種各樣的研究，因此許多GC算法也得以發布。[2] 但事實上，這些算法只不過是把前文中提到的三種算法進行組合或應用。也可以這麼說，1963年GC複製算法誕生時，GC的根本性內容就已經完成了。[3]

那我們常常聽說的分代垃圾回收又是怎麼回事？作者是這樣說的： > 人們從眾多程序案例中總結出了一個經驗：「大部分的對象在生成後馬上就變成了垃圾，很少有對象能活得很久」。分代垃圾回收利用該經驗，在對象中導入了「年齡」的概念，經歷過一次GC後活下來的對象年齡為1歲。[4]

分代垃圾回收中把對象分類成幾代，針對不同的代使用不同的GC算法，我們把剛生成的對象稱為新生代對象，到達一定年齡的對象則稱為老年代對象。[5]

好了，這下我總算知道為什麼要分代了，我的總結是： 將對象根據存活概率進行分類，對存活時間長一些的對象，可以減少掃描「垃圾」的時間，以減少GC頻率和時長。根本思路就是對對象進行分類，才能針對各個分類採用不同的垃圾回收算法，以對各算法進行揚長避短。

留一個問題給讀者：我們知道分代垃圾回收所採用的堆結構是：

為什麼新生代空間要分成「生成空間」和「倖存空間」，而倖存空間又分成兩塊大小相等的倖存空間1，倖存空間2?

這些GC算法共同解決的問題

上面我們說了，GC的定義只給出了需求，三種算法都為實現這個需求，那麼它們總會遇到共同要解決的問題吧？ 我嘗試總結出：

如何分辨出什麼是垃圾？

如何、何時搜索垃圾？

如何、何時清除垃圾？

這樣，只要涉及到垃圾回收，我就可以從這2點需求，3個共同問題（兩點三共）出發來討論、學習。

如何評價GC算法？

如果沒有評價標準，我們當然無法評估這些GC算法的性能。作者給出了4個標準：

吞吐量: 單位時間內的處理能力

最大暫停時間：GC執行過程中，應用暫停的時長。 較大的吞吐量和較短的最大暫停時間不可兼得

堆的使用效率：就是堆空間的利用率。 可用的堆越大，GC運行越快；相反，越想有效地利用有限的堆，GC花費的時間就越長。

訪問的局部性：把具有引用關係的對象安排在堆中較近的位置，就能提高在緩存中讀取到想利用的數據的概率。

好吧。兩點三共，四標~

小結

搞清楚為什麼要GC，要實現GC都要解決什麼問題，而各類算法又是怎麼解決的，最後怎麼評價這些算法。GC原來是這麼回事。

但是這不是GC的全部。但是提供我一個思考GC的思考框架。

以上就是《垃圾回收的算法與實現》的讀書筆記。如果想更深入，可以閱讀《垃圾回收算法手冊:自動內存管理的藝術》。

[1] 《垃圾回收的算法與實現》 P2

[2][3] 《垃圾回收的算法與實現》 P4

[4] 《垃圾回收的算法與實現》 P141

[5] 《垃圾回收的算法與實現》 P142

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