GC 的三种基本实现方式的改良

参考资料《代码的未来》（作者： [日] 松本行弘）。
本文是真对《GC的三种基本实现方式》文章中所提到的三种基本实现方式的基础上进行优化改良的方案／原理讲解

由于并非本人原著（我只是个“搬运工“），SO 未经本人允许请尽情转载。

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GC的基本算法，大体上逃不出上述三种方式以及他们的衍生品。现在通过着三种方式进行融合，出现了一些更加高级的方式，这里将介绍最具代表性的三种，即：

• 分代回收
• 增量回收
• 并行回收

有些情况下也可以对以上三种方法种的几种进行组合使用。

分代回收（Generational GC）

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由于GC和程序处理的本质是无关的，因此它们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半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变的更加高效呢？如果对分配不久——诞生时间较短的“年轻”对象进行重点扫描，应该就可以更有效的回收大部分垃圾。

在分代回收中，对象按照生成的时间进行分代，刚刚生成不久的年轻对象划为新生代（Young generation），而存活了较长时间的对象划为老生代（Old generation）。根据具体实现的方式不同，可能还会划分为更多不同的“代”，而这里为了讲解方便仅限定为“两代”。如果上述关于对象寿命的假说成立，那么只要仅仅扫描“新生代”对象，就可以回收废弃对象中很大一部分。

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的算法。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，只要将复制目标的空间设置为老生代就可以了；而标记清除算法的话，则大多采用在对像上设置某种标志的方式。

对来自老生代的引用进行记录

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。这样以来，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的表中（如下图）。在执行小回收的过程中，这个记录集也将作为一个根来对待。

（1）

（2）

注意：图中可以看到老生代中任何地方都没有进行引用对象F，而F则会在“大回收”中被回收。对象C则在小回收中被回收。

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瞬间，就必须引用记录，而负责执行这个操作的子程序，需要被嵌入到所有设计对象更新操作的地方。

负责记录的子程序工作流程为：
假设有两个对象——A和B，当对A的内容进行改写并引入B时，判断如果A为老生代对象，且B为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。

随着程序的运行老生代中的“死亡”对象也在不断增加。为了避免这些对象占用内存空间，偶尔需要对包括老生代区域在内的所有对象进行扫描回收。像这样对所有区域的对象进行GC操作被称为全回收（Full GC）后者大回收（Major GC）。

分代回收通过减少GC中的扫描对象数量，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改善。从吞吐量来看，在对象寿命假说成立的程序中，由于 扫描对象的数量减少，可以到到非常不错的成绩。但是，其事迹性能会被程序行为，分代数量，大回收出发条件等因素大幅度左右。

增量回收

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在对实时性要求很高的程序中，缩短GC的最大中断时间尤其重要。比如汽车控制程序，或者机器人控制程序……如果因为GC操作而让控制程序中断0.1秒的时间后果都是不堪设想的。

在这些对实时性要求很高的程序中，必须能够对GC产生中断时间做出预测，例如可以将“最多只能中断10毫秒”作为附加条件。

然而在一般的GC算法中，做出这样的保证是不可能的，因为GC产生的中断时间于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。

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”对象却被回收了。

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发生变化时，通过写屏障会将新被标记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时分步渐进试的，可以将中断时间控制在一定时长内。另一方面由于中断操作需要消耗一定时间，GC所消耗的总时长会相应增加。

并行回收

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并行回收的基本原理是：在原油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GPU的性能，尽可能让这些GC任务并行进行。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，而一点也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。