GC的三大高级算法

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序

GC的基本算法，大体上都逃不出标记清除法/标记压缩法、复制收集算法、引用计数法这三种方式以及它们的衍生品。现在，通过对这三种方式进行融合，出现了一些更加高级的方式。这里，我们介绍一下其中最有代表性的三种，即分代回收、增量回收和并行回收。有些情况下，也可以对这些方法中的几种进行组合使用。

1、分代回收

首先，我们来讲讲高级GC技术中最重要的一种，即分代回收（Generational GC）。由于GC和程序处理的本质是无关的，因此它所消耗的时间越短越好。分代回收的目的，正是为了在程序运行期间，将GC所消耗的时间尽量缩短。分代回收的基本思路，是利用了一般性程序所具备的性质，即大部分对象都会在短时间内成为垃圾，而经过一定时间依然存活的对象往往拥有较长的寿命。如果寿命长的对象更容易存活下来，寿命短的对象则会被很快废弃，那么到底怎样做才能让GC变得更加高效呢？如果对分配不久，诞生时间较短的“年轻”对象进行重点扫描，应该就可以更有效地回收大部分垃圾。

在分代回收中，对象按照生成时间进行分代，刚刚生成不久的年轻对象划为新生代（Young gen-eration），而存活了较长时间的对象划为老生代（Old generation）。根据具体实现方式的不同，可能还会划分更多的代，在这里为了讲解方便，我们就先限定为两代。如果上述关于对象寿命的假说成立的话，那么只要仅仅扫描新生代对象，就可以回收掉废弃对象中的很大一部分。像这种只扫描新生代对象的回收操作，被称为小回收（Minor GC）。小回收的具体回收步骤如下。首先从根开始一次常规扫描，找到“存活”对象。这个步骤采用标记清除或者是复制收集算法都可以，不过大多数分代回收的实现都采用了复制收集算法。需要注意的是，在扫描的过程中，如果遇到属于老生代的对象，则不对该对象继续进行递归扫描。这样一来，需要扫描的对象数量就会大幅减少。然后，将第一次扫描后残留下来的对象划分到老生代。具体来说，如果是用复制收集算法的话，只要将复制目标空间设置为老生代就可以了；而用标记清除算法的话，则大多采用在对象上设置某种标志的方式。

从任何地方都没有进行引用的老生代中的F对象，会通过大回收操作进行回收。

对来自老生代的引用进行记录这个时候，问题出现了，从老生代对象对新生代对象的引用怎么办呢？如果只扫描新生代区域的话，那么从老生代对新生代的引用就不会被检测到。这样一来，如果一个年轻的对象只有来自老生代对象的引用，就会被误认为已经“死亡”了。因此，在分代回收中，会对对象的更新进行监视，将从老生代对新生代的引用，记录在一个叫做记录集（remembered set）的表中（图5）。在执行小回收的过程中，这个记录集也作为一个根来对待。

要让分代回收正确工作，必须使记录集的内容保持更新。为此，在老生代到新生代的引用产生的瞬间，就必须对该引用进行记录，而负责执行这个操作的子程序，需要被嵌入到所有涉及对象更新操作的地方。这个负责记录引用的子程序是这样工作的。设有两个对象：A和B，当对A的内容进行改写，并加入对B的引用时，如果①A属于老生代对象，②B属于新生代对象，则将该引用添加到记录集中。这种检查程序需要对所有涉及修改对象内容的地方进行保护，因此被称为写屏障（Write barrier）。写屏障不仅用于分代回收，同时也用在很多其他的GC算法中。虽说老生代区域中的对象一般来说寿命都比较长，但也决不是“不老不死”的。随着程序的运行，老生代区域中的“死亡”对象也在不断增加。为了避免这些死亡的老生代对象白白占用内存空间，偶尔需要对包括老生代区域在内的全部区域进行一次扫描回收。像这样以全部区域为对象的GC操作被称为完全回收（Full GC）或者大回收（Major GC）。分代回收通过减少GC中扫描的对象数量，达到缩短GC带来的平均中断时间的效果。不过由于还是需要进行大回收，因此最大中断时间并没有得到什么改善。从吞吐量来看，在对象寿命假说能够成立的程序中，由于扫描对象数量的减少，可以达到非常不错的成绩。但是，其性能会被程序行为、分代数量、大回收触发条件等因素大幅度左右。

2、增量回收

在对实时性要求很高的程序中，比起缩短GC的平均中断时间，往往更重视缩短GC的最大中断时间。例如，在机器人的姿势控制程序中，如果因为GC而让控制程序中断了0.1秒，机器人可能就摔倒了。或者，如果车辆制动控制程序因为GC而延迟响应的话，后果也是不堪设想的。在这些对实时性要求很高的程序中，必须能够对GC所产生的中断时间做出预测。例如，可以将“最多只能中断10毫秒”作为附加条件。在一般的GC算法中，作出这样的保证是不可能的，因为GC产生的中断时间与对象的数量和状态有关。

因此，为了维持程序的实时性，不等到GC全部完成，而是将GC操作细分成多个部分逐一执行。这种方式被称为增量回收（Incremental GC）。在增量回收中，由于GC过程是渐进的，在回收过程中程序本身会继续运行，对象之间的引用关系也可能会发生变化。如果已经完成扫描和标记的对象被修改，对新的对象产生了引用，这个新对象就不会被标记，明明是“存活”对象却被回收掉了。在增量回收中为了避免这样的问题，和分代回收一样也采用了写屏障。当已经被标记的对象的引用关系发生变化时，通过写屏障会将新被引用的对象作为扫描的起始点记录下来。由于增量回收的过程是分步渐进式的，可以将中断时间控制在一定长度之内。另一方面，由于中断操作需要消耗一定的时间，GC所消耗的总时间就会相应增加，正所谓有得必有失。

3、并行回收

最近的计算机中，一块芯片上搭载多个CPU核心的多核处理器已经逐渐普及。不仅是服务器，就连个人桌面电脑中，多核CPU也已经成了家常便饭。例如美国英特尔公司的Core i7就拥有6核12个线程。在这样的环境中，就需要通过利用多线程来充分发挥多CPU的性能。并行回收正是通过最大限度利用多CPU的处理能力来进行GC操作的一种方式。并行回收的基本原理是，是在原有的程序运行的同时进行GC操作，这一点和增量回收是相似的。不过，相对于在一个CPU上进行GC任务分割的增量回收来说，并行回收可以利用多CPU的性能，尽可能让这些GC任务并行（同时）进行。由于软件运行和GC操作是同时进行的，因此就会遇到和增量回收相同的问题。为了解决这个问题，并行回收也需要用写屏障来对当前的状态信息保持更新。不过，让GC操作完全并行，而一点都不影响原有程序的运行，是做不到的。因此在GC操作的某些特定阶段，还是需要暂停原有程序的运行。在多核化快速发展的现在，并行回收也成了一个非常重要的话题，它的算法也在不断进行改善。在硬件系统的支持下，无需中断原有程序的完全并行回收器也已经呼之欲出。今后，这个领域相当值得期待。

引用

• 代码的未来