垃圾回收 - 分代垃圾回收

分代垃圾回收在对象中导入了“年龄”的概念，通过优先回收容易成为垃圾的对象，提高垃圾回收的效率。

1、新生代对象和老年代对象

分代垃圾回收中把对象分类成几代，针对不同的代使用不同的 GC 算法，我们把刚生成的对象称为新生代对象，到达一定年龄的对象则称为老年代对象。
众所周知，新生代对象大部分会变成垃圾。如果我们只对这些新生代对象执行 CC会怎么样呢？除了引用计数法以外的基本算法，都会进行只寻找活动对象的操作(如标记清除算法的标记阶段和 复制算法等)。因此，如果很多对象都会死去，花费在 GC上的时间应该就能减少。
我们将对新对象执行的 CC 称为新生代 GC (minor GC)。mainor 在这里的意思是“小规模的”。新生代 GC 的前提是大部分新生代对象都没存活下来，GC 在短时间内就结束了。
另一方面，新生代 GC 将存活了一定次数的新生代对象当作老年代对象来处理。我们把类似于这样的新生代对象上升为老年代对象的情况称为晋升 (promotion).。
因为老年代对象很难成为垃圾，所以我们对老年代对象减少执行 GC 的频率。相对于新生代GC，我们将面向老年代对象的 GC 称为老年代 GC (major CC)。
在这里有一点需要注意，那就是分代垃圾回收不能单独用来执行 GC。我们需要把它和之前介绍的基本算法结合在一起使用，来提高那些基本算法的效率。
也就是说，分代垃圾回收不是跟GC 标记一清除算法和 GC 复制算法并列在一起供我们选择的算法，而是需要跟这些基本算法一并使用。

2、Unger的分代垃圾回收

在Ungar 的分代垃圾回收中，堆的结构如下图所示。我们总共需要利用 4个空间，分别是生成空间、2个大小相等的率存空间以及老年代空间，并分别用 new_start、survivor1_start、survivor2_start、old_start 这4 个变量引用它们的开头。我们将生成空间和幸存空间合称为新生代空间。新生代对象会被分配到新生代空间，老年代对象则会被分配到老年代空间里。Ungar 在论文里把生成空间、幸存空间以及老年代空间的大小分别设成了 140K字节、28K 字节和 940K宇节。
此外我们准备出一个和堆不同的数组，称为记录集(remembered set)，设为rs。

生成空间就如它的字面意思一样，是生成对象的空间，也就是进行分配的空间。当生成空间满了的时候，新生代 GC 就会启动，将生成空间中的所有活动对象复制，这跟GC 复制算法是一个道理。目标空间是幸存空间。
2个幸存空间和CC复制算法里的 From 空间、To 空间很像，我们经常只利用其中的一个。在每次执行新生代 GC 的时候，活动对象就会被复制到另一个幸存空间里。在此我们将正在使用的幸存空间作为 From 幸存空间，将没有使用的幸存空间作为To幸存空间。
不过新生代GC 也必须复制生成空间里的对象。也就是说，生成空间和 From 幸存空间这两个空间里的活动对象都会被复制到To幸存空间里去。这就是新生代 CC。
只有从一定次数的新生代 CC 中存活下来的对象才会得到晋升，也就是会被复制到老年代空间去。

分代垃圾回收的优点是只将垃圾回收的重点放在新生代对象身上，以此来缩减GC所需要的时间。不过考虑到从老年代对象的引用，结果还是要搜索堆中的所有对象，这样一来就大大削减了分代垃圾回收的优势。所以就利用到了——记录集。
记录集用来记录从老年代到新生代对象的引用。这样新生代GC就可以不搜索老年代空间的所有对象，只通过搜索记录集来发现从老年代到新生代对象的引用。

3、记录集

记录集被用于高效地寻找从老年代对象到新生代对象的引用。具体来说，在新生代GC时将记录集看成根，并进行搜索，以发现指向新生代空间的指针。

记录集基本上是用固定大小的数组来实现的。各个元素是指向对象的指针。
那么，我们该怎么往记录集里记录对象呢？这就是下一节要介绍的“写入屏障”了。

4、写入屏障

在分代垃圾回收中，为了将老年代对象记录到记录集里，我们利用写入屏障 (write barrier)。在mutator 更新对象间的指针的操作中，写入屏障是不可或缺的。write_barrier（）函数的伪代码如下所示。这个函数跟引用计数法中出现的 update_ptr(）函数是在完全相同的情况下被调用的。

write_barrier (obj, field, new_obj){
	if (obj >= $old_start && new_obj < $old_start && obj.remembered == false)
		$rs [$rs-indez] = obj
		$rs_index++
		obj.remembered = true
	*field = new_obj
}

参数obj是发出引用的对象，obj 内存在要更新的指针，而 field指的就是 obj 内的域。new_obj 是在指针更新后成为引用目标的对象。
if判断主要是检查以下三点：

• 发出引用的对象是不是老年代对象
• 指针更新后的引用的目标对象是不是新生代对象
• 发出引用的对象是否还没有被记录到记录集中

当这些检查结果都为真时，obj 就被记录到记录集中了。

5、对象的结构

在Ungar 的分代垃圾回收中，对象的头部中除了包含对象的头部中类和大小之外，还有以下这3条信息：

• 对象的年龄（age）
• 已经复制完成的标志（forwarded）
• 已经向记录集记录完毕的标志（remembered）

age表示的是对象从新生代 CC 中存活下来的次数，这个值如果超过一定次数(AGE_MAX)，对象就会被当成老年代对象处理。我们在 CC 复制算法和 GC标记压缩算法中也用到过 forwarded， 这里它的作用是一样的，都是用来防止重复复制相同对象的标志。这里的remembered也一样，是用来防止向记录集中重复记录的标志。不过 remembered只用于老年代对象，age 和forwarded只用于新生代对象。
此外，跟GC复制算法一样，在这里我们也使用forwarding指针。在torvrarting 指针中利用obj.field1，用obj.forwarding 访问 obj.field1.
Ungar 的分代垃圾回收中用到的对象的结构如下图所示

6、分配

分配是在生成空间进行的。执行分配的new_obj()函数如下所示

new_obj (size){
	if ($new_free + size ›= $survivor1_start)
		minor_gc ()
		if ($new_free + size ›= $survivor1_start)
			allocation_fail ()
 		}
	obj = $new_free
	$new_free += size
	obj.age = 0
	obj.forwarded = false
	obj.remembered = false
	obi.size = size
	return obj
}

7、优缺点

优点：吞吐量得到改善
缺点：在部分程序中会起到反作用。“很多对象年纪经轻就会死”这个法则毕竟只适合大多数情况，并不适用于所有程程序。当然、对象会活得很久的程序也有很多。对这样的程序执行分代垃圾回收，就会产生以下两个问题

• 新生代GC所花费的时间增多
• 老年代GC频繁运行
  而且，写入屏障导致的额外负担降低了吞吐量。只有当新生代GC 带来的速度提升效果大于写入屏障对速度造成的影响时，分代垃级回收才能够更好地发挥作用。当这个大小关系不成立时，分代址圾回收就没有什么作用，或者说反而可能会起到反作用。这种情况下我们还是使用基本算法更好。