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資訊專欄INFORMATION COLUMN

譯文-垃圾回收器是什么

alanoddsoff / 1030人閱讀

摘要：垃圾回收器追蹤所有正在使用的對象，將無用對象標(biāo)記為垃圾。自動化指針內(nèi)存回收自動化的最好方式之一是使用鉤子函數(shù)。它們可能因?yàn)槎喾N原因發(fā)生，但是這種垃圾回收器是最主流的一種。

原文出處：What Is Garbage Collection?

一眼就應(yīng)該從名稱看出垃圾回收機(jī)制的含義-查找垃圾，然后丟棄。事實(shí)正好相反。垃圾回收器追蹤所有正在使用的對象，將無用對象標(biāo)記為垃圾。請留意，我們開始研究JVM的“Garbage Collection”的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

避免倉促進(jìn)入細(xì)節(jié)，我們因該從入門開始入手。理解垃圾收集器的一般規(guī)律，核心、概念，處理方法。

鄭重聲明：本文關(guān)注的是Oracle的Hotspot和OpenJDK。其他運(yùn)行環(huán)境或者其他的JVM，諸如jRockit，IBM J9、以及本手冊提及的一些產(chǎn)品會有一些差異化。

內(nèi)存管理指南

在我們開始講解垃圾回收器的工作方式之前，你需要手動為你的數(shù)據(jù)分配一塊可用空間。如果你忘記分配，你將不能重復(fù)使用這塊空間。這塊空間將被聲明但是不能被使用。例如，內(nèi)存泄漏。

下面是一個用C實(shí)現(xiàn)的簡單內(nèi)存管理使用示例：

int send_request() {
    size_t n = read_size();
    int *elements = malloc(n * sizeof(int));

    if(read_elements(n, elements) < n) {
        // elements not freed!
        return -1;
    }

    // …

    free(elements)
    return 0;
}

正如您看到的，它非常容易忘記去釋放內(nèi)存。內(nèi)存泄漏是一個比現(xiàn)在更加廣泛的共性問題。你只能把內(nèi)嵌在你的代碼來克服這個問題。因此，最好的方法是自動回收不用的內(nèi)存，以完全避免人為錯誤。例如Garbage Collection(GC)自動化操作。

自動化指針

內(nèi)存回收自動化的最好方式之一是使用鉤子函數(shù)。例如，在C++中我們使用vector做同樣的事情，當(dāng)數(shù)據(jù)在作用域不再使用時被自動調(diào)用的一種鉤子函數(shù)：

int send_request() {
    size_t n = read_size();
    vector elements = vector(n);

    if(read_elements(elements.size(), &elements[0]) < n) {
        return -1;
    }

    return 0;
}

但是多數(shù)情況下更加復(fù)雜，特別是對象被多個線程跨線程共享，僅僅使用鉤子函數(shù)不合適，由此產(chǎn)生最簡單的垃圾回收機(jī)制：引用計數(shù)。對于每一個對象，只要簡單知道它被引用了多少次，當(dāng)計數(shù)器歸零的時候，它就被安全回收。下面是C++共享指針的著名例子：

int send_request() {
    size_t n = read_size();
    auto elements = make_shared>();

    // read elements

    store_in_cache(elements);

    // process elements further

    return 0;
}

現(xiàn)在，為了避免元素在下一時刻被其他函數(shù)調(diào)用，我們也許應(yīng)該將它們緩存起來。在這種情況下，我們不能選擇當(dāng)它出了作用域就銷毀vector。因此，我們使用shared_ptr。它記錄引用次數(shù)。在它的作用域內(nèi)數(shù)量增加，在作用域之外次數(shù)減少。一旦引用次數(shù)歸零，shared_ptr 自動刪除其下的vector。

內(nèi)存自動管理

從上面的C++代碼可以看出，我們依然明確提出關(guān)注內(nèi)存管理。但是如果使用這種方式管理所有的內(nèi)存有會怎樣呢？它變得非常方便，自此開發(fā)人員不再考慮自己手動清除。運(yùn)行環(huán)境會自動識別不再使用的內(nèi)存并且釋放它。換句話說，它自動回收垃圾。世界上第一款垃圾收集于1959年使用Lisp語言實(shí)現(xiàn)，自此相關(guān)技術(shù)開始向前發(fā)展。

引用計數(shù)

上文提到我們使用C++共享指針的方式管理所有對象。許多語言，例如 Perl, Python ,PHP都采用這種方式。下圖很好說明了這種方法：

綠色云狀圖標(biāo)指向的對象說明他們?nèi)匀槐怀绦蛘加谩＜夹g(shù)上，他們類似于當(dāng)前執(zhí)行方法的本地變量或者靜態(tài)變量或者其他。不同語言之間的差別很大，本文不做關(guān)注。

藍(lán)色圖標(biāo)表示內(nèi)存中存活的對象，里面的數(shù)字代表它們被引用的次數(shù)。最后，灰色圖標(biāo)表示沒有被任何存活對象引用（就是直接被綠色云狀代表對象引用的對象）。灰色對象就這樣被當(dāng)成垃圾，被垃圾收集器清除。

這看起來很不錯，不是嗎？好吧，的確，但是這種方式存在一個巨大的缺點(diǎn)。這些沒有在作用域中對象發(fā)生環(huán)狀引用，由于環(huán)狀引用導(dǎo)致他們的引用計數(shù)不歸零。下面是示意圖：

看到了嗎？實(shí)際上，紅色對象沒有被應(yīng)用程序使用而成為垃圾。由于引用計數(shù)的局限性，他們造成了內(nèi)存泄漏。

有幾種方法客服這種情況，例如使用特殊的“”weak“”引用，或者為了環(huán)狀應(yīng)用特殊的算法。Perl, Python ，PHP使用哪種方式處理，不在本文的討論范圍之內(nèi)。相反，我開始討論更多JVM的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。

標(biāo)記清除

首先，對于可達(dá)對象，JVM有著明確的定義。與上面章節(jié)中綠色云狀圖模糊定義不同的是，我們有一個叫做Garbage Collection Roots（GC Root）的明確定義：

局部變量

活躍線程

靜態(tài)域

JNI引用

JVM使用這種方式追蹤所有可達(dá)（存活）的對象，通過被稱作標(biāo)記清除算法重復(fù)掃描確定不可達(dá)對象。該算法包含兩步：

標(biāo)記，掃描所有的可達(dá)對象，在本地內(nèi)存這些對象的副本。

清除，確保所有被不可達(dá)對象占據(jù)的內(nèi)存空間可以在下一次重新分配。

JVM中多種不同的算法，例如Parallel Scavenge，Parallel Mark+Copy，CMS，他們的實(shí)施階段不盡相同，但是執(zhí)行步驟和上面描述的兩步類似。

這些算法很重要的一點(diǎn)是保證環(huán)形引用不再泄漏：

不太好的一點(diǎn)是，回收操作發(fā)生的時候，所有的應(yīng)用線程被停止。正如它們一直在改變引用導(dǎo)致無法準(zhǔn)確計算它們的應(yīng)用的那樣。像這種應(yīng)用線程被暫時停止，以便JVM活動的晴空稱之為“”stop-the-world“”。它們可能因?yàn)槎喾N原因發(fā)生，但是這種垃圾回收器是最主流的一種。

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