常见软件的GC算法解析

今天和大家一起解析下常见的GC算法设计。

什么是GC

GC是一种软件进行自动的内存回收的方式。

如果软件运行过程中，发现某些对象没有了引用（或者称之为不可达）的状态时，就会启动GC过程。将这部分内存进行释放。以避免程序员因为忘记显示释放内存导致程序出现out of memory。

GC的过程

GC的过程主要分为标记、移动和压缩

标记

软件先分析堆中的所有内存对象，判断是否“存活”。

如果一个对象没有保持着被其他存活对象引用，就需要被清理

移动

将标记为存活的对象移动到另一个内存空间（老生代）

压缩

由于内存清理之后会出现很多碎片（非连续的小段可用内存），因此往往需要对其进行移动，确保大块的内存可用空间。（有时候移动和压缩会放在一起操作）

GC算法分析

为什么GC时要移动对象至另一空间

这里我们先思考一个问题，为什么需要把存活的对象移动到另一个内存空间。

首先，GC是一个非常耗性能的过程。

因为在GC过程中，你的程序中各个对象的引用指向的内存地址可能发生改变。

如果此时你仍然在执行程序，就可能访问到错误的内存地址。

因此GC期间会挂起程序的执行，也就是我们俗称的Stop the world。

在这一个限制下，我们设计GC算法的时候，必须做到尽可能少的进行GC。

如何才能尽可能少的进行GC呢？

我们每次GC时，尽可能保证扫描的对象最大比例的释放内存。这样可用内存越多，触发GC的次数就会越少。

OK，我们再引进一个社会工程学知识，就是越新创建的对象，被清理的概率越高。

如果一个对象经过了一次GC，仍然存活了下来，那么它很有可能再下一次GC中存活。

那么将其放在一个单独的内存空间（老生代）中，可以有效的减少这些长生命周期对象的GC次数。

而仅对这些新生成的对象（新生代）进行GC，可以使用更少的对象扫描，完成近似相当的内存释放。

只有当老生代的内存空间也满了，才会进行老生代的GC。

老生代对象移动到哪里？

我们再思考一下，如果老生代也满了，那么GC时内存对象还能移动到哪里去呢？

在开一个“老老生代”？那“老老生代”也满了呢？

我们当然不能无限的开辟这么多的内存空间，放置GC存活的对象，这样内存的有效使用率太低了。

这里我们会在原始的老生代内存空间直接移动对象，将那些被回收的对象产生的内存碎片压缩即可。

.NET的GC设计

.NET的GC设计很简单，就同我们刚刚分析的情况基本一致。

它将内存分为三个区域，第0代，第1代，第2代。

所有的新对象的内存会分配至第0代。

当第0代满了，触发GC将第0代清空，将存活对象提升至第1代。

当第1代满了，再存活对象提升至第2代。

当第2代满了，GC后的存活对象直接在第2代的空间进行碎片压缩。

V8的GC设计

在.NET的GC设计中可能会出现这种情况，在第0代GC过程中，最新生成的内存对象被提升到了第1代中。

但是这些对象很可能是一些短生命周期的对象，仅仅是“偶然”在GC之前生成罢了。

但是这些对象被提升至第1代之后，很可能在之后的多次GC中，都不能被清理。

这些“无用”的内存占用就会消耗我们软件的内存空间。

V8 采用了另一种设计思想。

V8仅有新生代和老生代两个空间，并且它将新生代分成了From和To两个半空间。

每次新对象直接生成在From半空间内。

当触发GC时，From半空间内存活的对象被移动到To半空间内。

然后令To成为新的From半空间，From成为新的To半空间，即“半空间翻转”

在下一次GC时，检查GC存活对象，如果已经经历了一次GC，那么提升至老生代，否则还是移动到To半空间。

在V8的这种设计下，对象必须经历2次GC后才能提升到老生代。

避免了因为生成时机问题，导致内存中的“生命周期”延长。

JVM的GC设计

V8半空间的设计也会带来的一个问题就是，新生代的内存可用空间只有一半。

那么有没有什么方式可以增加一些空间呢？

JVM设计GC时将新生代分成了三块，eden，s0和s1（From幸存空间，To幸存空间）。

所有的对象创建时，内存分配至eden区域。

而当第一GC时存活对象提升至s0区域（From幸存空间）。

再下一次GC时，会将eden和s0一起进行GC，并且将存活对象移动至s1区域（To幸存空间）。

然后和V8一样s0和s1，发生“幸存空间翻转”

仅当对象在幸存空间存活超过了8次，才提升至老生代。

这种设计基于如下现实：每次GC仅有少部分对象存活。

因此JVM就将需要进行翻转的半空间缩小了，这样就能有更大的空间用于新对象内存分配。

后记

这里我们分析了.NET，V8和JVM的GC设计，但是并不是说明那种软件的GC算法更好，所有的算法架构都是进行一种设计取舍。

我们需要知道大部分情况下，GC能够直接帮我们处理内存问题。

而在那些内存敏感的应用场景，期望依赖某一软件的GC设计原生机制来自动处理，也是不会奏效的。

参考文档：

• Java Garbage Collection Basics
• 垃圾回收 (计算机科学) - ***，***的百科全书
• JVM 垃圾收集与 GC 算法 - 简书
• GC的三大基础算法 - code-craft - SegmentFault 思否
• Java虚拟机详解04----GC算法和种类【重要】 - 千古壹号 - 博客园
• Understanding the Java Memory Model and Garbage Collection - DZone Java
• 垃圾回收的基本知识 - Microsoft Docs

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