譯文-垃圾回收器是什麼

原文出處：What Is Garbage Collection?

一眼就應該從名稱看出垃圾回收機制的含義-查找垃圾，而後丟棄。事實正好相反。垃圾回收器追蹤全部正在使用的對象，將無用對象標記爲垃圾。請留意，咱們開始研究JVM的「Garbage Collection」的實現細節。

避免倉促進入細節，咱們因該從入門開始入手。理解垃圾收集器的通常規律，核心、概念，處理方法。

鄭重聲明：本文關注的是Oracle的Hotspot和OpenJDK。其餘運行環境或者其餘的JVM，諸如jRockit，IBM J九、以及本手冊說起的一些產品會有一些差別化。

內存管理指南

在咱們開始講解垃圾回收器的工做方式以前，你須要手動爲你的數據分配一塊可用空間。若是你忘記分配，你將不能重複使用這塊空間。這塊空間將被聲明可是不能被使用。例如，內存泄漏。

下面是一個用C實現的簡單內存管理使用示例：

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，它很是容易忘記去釋放內存。內存泄漏是一個比如今更加普遍的共性問題。你只能把內嵌在你的代碼來克服這個問題。所以，最好的方法是自動回收不用的內存，以徹底避免人爲錯誤。例如Garbage Collection(GC)自動化操做。

自動化指針

內存回收自動化的最好方式之一是使用鉤子函數。例如，在C++中咱們使用vector作一樣的事情，當數據在做用域再也不使用時被自動調用的一種鉤子函數：

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

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

    return 0;
}

可是多數狀況下更加複雜，特別是對象被多個線程跨線程共享，僅僅使用鉤子函數不合適，由此產生最簡單的垃圾回收機制：引用計數。對於每個對象，只要簡單知道它被引用了多少次，當計數器歸零的時候，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<vector<int>>();

    // read elements

    store_in_cache(elements);

    // process elements further

    return 0;
}

如今，爲了不元素在下一時刻被其餘函數調用，咱們也許應該將它們緩存起來。在這種狀況下，咱們不能選擇當它出了做用域就銷燬vector。所以，咱們使用shared_ptr。它記錄引用次數。在它的做用域內數量增長，在做用域以外次數減小。一旦引用次數歸零，shared_ptr 自動刪除其下的vector。

內存自動管理

從上面的C++代碼能夠看出，咱們依然明確提出關注內存管理。可是若是使用這種方式管理全部的內存有會怎樣呢？它變得很是方便，自此開發人員再也不考慮本身手動清除。運行環境會自動識別再也不使用的內存而且釋放它。換句話說，它自動回收垃圾。世界上第一款垃圾收集於1959年使用Lisp語言實現，自此相關技術開始向前發展。

引用計數

上文提到咱們使用C++共享指針的方式管理全部對象。許多語言，例如 Perl, Python ,PHP都採用這種方式。下圖很好說明了這種方法：

綠色雲狀圖標指向的對象說明他們仍然被程序佔用。技術上，他們相似於當前執行方法的本地變量或者靜態變量或者其餘。不一樣語言之間的差異很大，本文不作關注。

藍色圖標表示內存中存活的對象，裏面的數字表明它們被引用的次數。最後，灰色圖標表示沒有被任何存活對象引用（就是直接被綠色雲狀表明對象引用的對象）。灰色對象就這樣被當成垃圾，被垃圾收集器清除。

這看起來很不錯，不是嗎？好吧，的確，可是這種方式存在一個巨大的缺點。這些沒有在做用域中對象發生環狀引用，因爲環狀引用致使他們的引用計數不歸零。下面是示意圖：

看到了嗎？實際上，紅色對象沒有被應用程序使用而成爲垃圾。因爲引用計數的侷限性，他們形成了內存泄漏。

有幾種方法客服這種狀況，例如使用特殊的「」weak「」引用，或者爲了環狀應用特殊的算法。Perl, Python ，PHP使用哪一種方式處理，不在本文的討論範圍以內。相反，我開始討論更多JVM的實現細節。

標記清除

首先，對於可達對象，JVM有着明確的定義。與上面章節中綠色雲狀圖模糊定義不一樣的是，咱們有一個叫作Garbage Collection Roots（GC Root）的明肯定義：

• 局部變量

• 活躍線程

• 靜態域

• JNI引用

JVM使用這種方式追蹤全部可達（存活）的對象，經過被稱做標記清除算法重複掃描肯定不可達對象。該算法包含兩步：

• 標記，掃描全部的可達對象，在本地內存這些對象的副本。

• 清除，確保全部被不可達對象佔據的內存空間能夠在下一次從新分配。

JVM中多種不一樣的算法，例如Parallel Scavenge，Parallel Mark+Copy，CMS，他們的實施階段不盡相同，可是執行步驟和上面描述的兩步相似。

這些算法很重要的一點是保證環形引用再也不泄漏：

不太好的一點是，回收操做發生的時候，全部的應用線程被中止。正如它們一直在改變引用致使沒法準確計算它們的應用的那樣。像這種應用線程被暫時中止，以便JVM活動的晴空稱之爲「」stop-the-world「」。它們可能由於多種緣由發生，可是這種垃圾回收器是最主流的一種。