GC 标记 - 压缩算法（Mark Compact GC）是将 GC 标记 - 清除算法与 GC 复制算法相结合的产物。
本文实现的是Donald E. Knuth研究出来的 Lisp2 算法，基于C语言
在标记 - 整理算法中，标记阶段和标记 - 清除算法中的的标记阶段完全一样；然后对堆进行几次搜索来整理活动对象。
整理算法也是移动式的算法，不会有碎片化的问题，并且和复制算法相比不用牺牲半个堆的空间
名词解释
对象
对象在GC的世界里，代表的是数据集合，是垃圾回收的基本单位。
指针
可以理解为就是C语言中的指针（又或许是handle），GC是根据指针来搜索对象的。
mutatar
这个词有些地方翻译为赋值器，但还是比较奇怪，不如不翻译……
mutator 是 Edsger Dijkstra 琢磨出来的词，有“改变某物”的意思。说到要改变什么，那就是 GC 对象间的引用关系。不过光这么说可能大家还是不能理解，其实用一句话概括的话，它的实体就是“应用程序”。
mutatar的工作有以下两种：
- 生成对象
- 更新指针
mutator 在进行这些操作时，会同时为应用程序的用户进行一些处理（数值计算、浏览网页、编辑文章等）。随着这些处理的逐步推进，对象间的引用关系也会“改变”。伴随这些变化会产生垃圾，而负责回收这些垃圾的机制就是 GC。
GC ROOTS
GC ROOTS就是引用的起始点，比如栈，全局变量
堆(Heap)
堆就是进程中的一段动态内存，在GC的世界里，一般会先申请一大段堆内存，然后mutatar在这一大段内存中进行分配
活动对象和非活动对象
活动对象就是能通过mutatar（GC ROOTS）引用的对象，反之访问不到的就是非活动对象。
准备工作
在标记-整理算法中，使用顺序内存分配(sequential allocation)策略，顺序分配流程如下图所示
维护一个free pointer，每次分配内存后移动该指针，limit-free的就是当前堆中可用内存的大小
数据结构设计
首先是对象类型的结构：
为了动态访问“对象”的属性，此处使用属性偏移量来记录属性的位置，然后通过指针的计算获得属性
typedef struct class_descriptor {
char *name;//类名称
int size;//类大小，即对应sizeof(struct)
int num_fields;//属性数量
int *field_offsets;//类中的属性偏移，即所有属性在struct中的偏移量
} class_descriptor;然后是对象的结构，虽然C语言中没有继承的概念，但是可以通过共同属性的struct来实现：
typedef struct _object {
class_descriptor *class;//对象对应的类型
byte marked;//是否可达
object *forwarding;//目标位置} object;
//继承
//"继承对象"需和父对象object基本属性保持一致，在基本属性之后，可以定义其他的属性
typedef struct emp {
class_descriptor *class;//对象对应的类型
byte marked;//是否可达
object *forwarding;//目标位置
int id;
dept *dept;
} emp;有了基本的数据结构，下面就可以进行算法的实现了
算法实现(Lisp2)
Lisp2 算法在对象头里为 forwarding 指针留出了空间。这里的forwarding 指针跟 GC 复制算法中的用法一样。
假设我们要在下面这种情况下执行 GC
标记
首先是标记阶段，标记-整理中的标记算法和标记-清除中一致；标记阶段结束后的堆状态如下图：
mark代码：
void mark(object *obj) {
if (!obj || obj->marked) { return; }
obj->marked = TRUE;
printf("marking...\n");
//递归标记对象的引用
for (int i = 0; i < obj->class->num_fields; ++i) {
mark(*((object **) ((void *) obj + obj->class->field_offsets[i])));
}
}整理
整理代码：
void compact() {
set_forwarding();
adjust_ref();
move_obj();
}整理阶段分为三个步骤：
计算并设置整理后的对象forwarding指针
void set_forwarding() {
int p = 0;
int forwarding_offset = 0;
//遍历堆的已使用部分，这里不用遍历全堆
//因为是顺序分配法，所以只需要遍历到已分配的终点即可
while (p < next_free_offset) {
object *obj = (object *) (p + heap);
//为可达的对象设置forwarding
if (obj->marked) {
obj->forwarding = (object *) (forwarding_offset + heap);
forwarding_offset = forwarding_offset + obj->class->size;
}
p = p + obj->class->size;
}
}调整对象的引用为移动后的地址
如上图所示，调整引用后，gc roots和其他对象的引用都已经更新为了预先计算的forwarding指针
void adjust_ref() {
int p = 0;
//先将roots的引用更新
for (int i = 0; i < _rp; ++i) {
object *r_obj = _roots[i];
_roots[i] = r_obj->forwarding;
}
//再遍历堆，更新存活对象的引用
while (p < next_free_offset) {
object *obj = (object *) (p + heap);
if (obj->marked) {
//更新引用为forwarding
for (int i = 0; i < obj->class->num_fields; i++) {
object **field = (object **) ((void *) obj + obj->class->field_offsets[i]);
if ((*field) && (*field)->forwarding) {
*field = (*field)->forwarding;
}
}
}
p = p + obj->class->size;
}
}移动对象
void move_obj() {
int p = 0;
int new_next_free_offset = 0;
while (p < next_free_offset) {
object *obj = (object *) (p + heap);
if (obj->marked) {
//移动对象至forwarding
obj->marked = FALSE;
memcpy(obj->forwarding, obj, obj->class->size);
new_next_free_offset = new_next_free_offset + obj->class->size;
}
p = p + obj->class->size;
}
//清空移动后的间隙
memset((void *)(new_next_free_offset+heap),0,next_free_offset-new_next_free_offset);
//移动完成后，更新free pointer为新的边界指针
next_free_offset = new_next_free_offset;
}通过上图我们能够确认，整理后，活动对象 B、C、D、F 分别对应整理后的BꞋ 、CꞋ、DꞋ 、FꞋ 。在 Lisp2 算法中，整理阶段并不会改变对象的排列顺序，只是缩小了它们之间的空隙，把它们聚集到了堆的一端。
以上就是对标记-整理算法的说明
优点
没有碎片化问题，而且可以利用整个堆，不用像复制算法那样将堆一分为二
缺点
整理成本过高，在上述实现中，对堆进行了3次搜索。也就是说该算法的时间花费是和堆大小成正比的，和存活对象数量无关
完整代码
https://github.com/kongwu-/gc_impl/tree/master/mark-compact
相关文章
- 垃圾回收算法实现之 - 标记-清除（完整可运行C语言代码）
- 垃圾回收算法实现之 - 引用计数（完整可运行C语言代码）
- 垃圾回收算法实现之 - 复制（完整可运行C语言代码）
- 垃圾回收算法实现之 - 标记-整理（完整可运行C语言代码）
- 垃圾回收算法实现之 - 分代回收（完整可运行C语言代码）（待完成）
参考
- 《垃圾回收的算法与实现》 中村成洋 , 相川光 , 竹内郁雄 (作者) 丁灵 (译者)
- 《垃圾回收算法手册 自动内存管理的艺术》 理查德·琼斯 著，王雅光 译