垃圾回收之Python PHP Java Go对比

本文对比了四种语言在垃圾回收方面的实现，其目标都是相同的，即希望做到准确又高效的识别和清理内存中的垃圾对象，不同语言之间在实现思路上有相似之处，又各自有不同的侧重点。

常见的垃圾回收算法

引用计数

给每个对象结构体附加一个引用计数的属性，当对象被赋值或引用时会增加引用计数，当对象销毁时减少引用计数，当引用计数变为 0 时回收。

优点：实现简单，性能良好
缺点：无法识别循环引用的情况
代表语言：Python、PHP

标记-清除

从内存中一组 root object 根对象开始向下遍历并标记所有可能访问到的对象，即可达对象，相反没有被标记的对象即为不可达对象，标记完成后将不可达对象清除。

优点：可以解决循环引用问题
缺点：需要 STW (Stop The World)暂停程序的执行，有性能损耗，这也是大部分标记清除类算法都在试图优化的地方。
代表语言：Go 的三色标记法是标记清除的变体；Python 和 PHP 也都有各自的标记清除变体实现，主要为了解决循环引用的问题。

分代回收

针对对象的生命周期长短不同将其划分到不同代，如年轻代，老年代等；不同代采用不同回收策略，例如年轻代的对象可能刚分配不久就不再使用应该可以被回收，所以年轻代触发 GC 较为高频，老年代的对象可能有历久弥坚的特性，一直存活到最后，所以触发 GC 较为低频。总的来说分代回收针对不同特点的数据启用不同策略，缩短 GC 时间。

优点：减少 STW 时间，性能较稳定
缺点：实现逻辑较复杂
代表语言：Java 是典型的分代回收的例子；Python 使用简化的分代回收策略来提升回收效率

复制回收

将内存分为两块，每次只使用其中一块。垃圾回收时，将存活对象从一个块复制到另一个块，然后清除未复制的块。

优点：可以快速回收对象，且没有内存碎片
缺点：需要额外的内存空间，复制对象时开销较大
代表语言：Lisp、Smalltalk

Python 的垃圾回收

不同的 Python 解释器实现有不同的垃圾回收方式，在 CPython 中以引用计数为主，附加标记清除的变体解决循环引用问题，另外附加分代回收提高垃圾回收的执行效率。

以引用计数为主：对象链表 refchain 和对象的引用计数 ob_refcnt

Python 中使用 refchain 双向循环链表维护所有对象，在对象的结构体中， ob_refcnt 是引用计数器

Python 对象的结构示意：

              +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ \
              |                    *_gc_next                  | |
              +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | PyGC_Head
              |                    *_gc_prev                  | |
object -----> +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ /
              |                    ob_refcnt                  | \
              +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ | PyObject_HEAD
              |                    *ob_type                   | |
              +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+ /
              |                      ...                      |

使用标记清除的变体解决循环引用问题

循环引用只可能发生在容器类对象中，如 list、set、dict、类实例等，为了识别并处理循环引用，Python 维护了两个双向链表，一个包含所有要扫描的对象 Objects to Scan，另一个包含暂时无法访问的对象 Unreachable。

Python 中循环引用例子

>>> import gc

>>> class Link:
...    def __init__(self, next_link=None):
...        self.next_link = next_link

>>> link_3 = Link()
>>> link_2 = Link(link_3)
>>> link_1 = Link(link_2)
>>> link_3.next_link = link_1
>>> A = link_1
>>> del link_1, link_2, link_3

>>> link_4 = Link()
>>> link_4.next_link = link_4
>>> del link_4

# Collect the unreachable Link object (and its .__dict__ dict).
>>> gc.collect()
2

上述代码示意图如下：

两个链表如图所示，其中每个对象的 ref_count 是对象真正的引用计数，gc_ref 的值与 ref_count 相同，用于辅助 GC 使用，目的是为了在 GC 时修改而不影响原本的引用计数。

当 GC 开始时将 Object to Scan 链表中所有对象的 gc_ref 减 1，这一步可以消除容器对象之间的引用。

如果此时 gc_ref>0，说明还有容器对象之外的引用指向这个对象，即该对象是可访问的。可访问对象引用的对象也被视为是可访问对象，而其他 gc_ref=0 的对象被移动到 Unreachable 链表中

再次扫描整个链表，将所有可达对象重新移回 Objects to Scan 链表，而最终的 Unreachable 链表中的对象就是真正不可达对象，需要被回收。

使用分代回收提升效率

为了限制每次垃圾收集所花费的时间，Python 使用分代回收的思想提升效率。分代回收假设大多数对象的寿命都很短，因此会在创建后不久就被收集。事实上大部分的程序非常符合这一假设，许多临时对象的创建和销毁速度非常快。而对象越老，它变成不可访问的可能性就越小。

Python 将所有容器对象都划分到三个代：0 代，1 代，2 代，如果对象在其所在的代的 GC 中存活下来，它将被移动到下一个代。采用分代回收机制，根据对象存活时间的不同来区分扫描的频次和时机，可以提高垃圾回收的效率。

那么应该在何时启动某一代的 GC 呢，gc.get_threshold 可以查看三个代垃圾回收的触发阈值：

>>> import gc
>>> gc.get_threshold()
(700, 10, 10)

# 另外 gc.set_threshold 可以设置阈值

三个阈值分别表示 GC 触发时机：

0 代：如果 0 代中对象数量达到 700 个则触发一次。
1 代：如果 0 代被扫描 10 次，则触发一次。
2 代：只有当 long_lived_pending / long_lived_total 大于 25% 时才会触发

PHP 的垃圾回收

PHP 的垃圾回收跟 Python 十分类似，都是使用引用计数结合标记清除的变体解决循环引用。

PHP 对象结构和引用计数

PHP 中的对象结构体中有一个 gc.refcount 属性表示引用计数，下面是一个 PHP 循环引用的例子：

$a = [1];
$a[] = &$a;

unset($a);

unset 掉 $a 之后：

遍历对象链表标记不可达对象

PHP 将可能存在循环引用的容器类对象放入一个 GC 缓冲链表，当缓冲链表中对象数量达到 10000 个则会触发一次 GC，步骤如下：

从 GC 缓冲链表头开始进行深度优先遍历，标记为 GC_GREY 灰色，并将引用计数减 1
再次遍历缓冲区链表，考察对象的引用计数是否为 0：
- 为 0，表明其是一个不可达对象，标记为 GC_WHITE 白色。
- 不为 0，表明还存在链表之外的引用，其是一个可达对象，标记为 GC_BLACK，并将引用计数加 1 恢复。
最后遍历缓冲链表，将所有 GC_WHITE 白色对象移除。

Java 的垃圾回收

Java 采用可达性分析附加分代回收实现 GC。

GC root 和可达性分析

GC root 指的是一组根对象 root object，这些对象被认为是内存中的起始点，它们直接或间接地引用了应用程序中的其他对象，因此，从这组根对象出发，可以通过一系列的引用关系遍历到所有可达的对象，而不可达的对象将被标记为垃圾并被回收。

GC Root 具体指的是：

虚拟机栈中的引用的对象
方法区中的类静态属性引用的对象
方法区中的常量引用的对象
本地方法栈中 JNI（Native方法）的引用的对象

分代回收

内存划分为年轻代和老年代，年轻代分为 eden 区和 survivor0 survivor1 区。在年轻代内部移动采用的是复制回收算法，即在 survivor0 和 survivor1 之间搬运。

Young GC

对象先在 Eden 区分配，当 Eden 满时触发 Young GC

当 Eden 满时，将存活的对象放入 S0，并将每个对象的年龄加一。

当 S0 满，将存活的对象放入 S1，对象年龄再加一。

S1 也满，则在移动到 S0，对象年龄再加一，直到对象年龄达到 15 时，存活对象移入老年代

Full GC

老年代 FullGC 在多个情况下都会被触发：

发生 Young GC 之前进行检查，如果“老年代可用的连续内存空间” < “新生代历次Young GC后升入老年代的对象总和的平均大小”，说明本次 Young GC 后可能升入老年代的对象大小，可能超过了老年代当前可用内存空间，此时会触发 FullGC。
当老年代没有足够空间存放对象时，会触发一次 FullGC。
如果元空间区域的内存达到了所设定的阈值-XX:MetaspaceSize=，也会触发 FullGC