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GC的三大高級算法

draveness / 442人閱讀

摘要：現在，通過對這三種方式進行融合，出現了一些更加高級的方式。這樣一來，需要掃描的對象數量就會大幅減少。像這樣以全部區域為對象的操作被稱為完全回收或者大回收。在一般的算法中，作出這樣的保證是不可能的，因為產生的中斷時間與對象的數量和狀態有關。

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GC的基本算法，大體上都逃不出標記清除法/標記壓縮法、復制收集算法、引用計數法這三種方式以及它們的衍生品?，F在，通過對這三種方式進行融合，出現了一些更加高級的方式。這里，我們介紹一下其中最有代表性的三種，即分代回收、增量回收和并行回收。有些情況下，也可以對這些方法中的幾種進行組合使用。

1、分代回收

首先，我們來講講高級GC技術中最重要的一種，即分代回收（Generational GC）。由于GC和程序處理的本質是無關的，因此它所消耗的時間越短越好。分代回收的目的，正是為了在程序運行期間，將GC所消耗的時間盡量縮短。分代回收的基本思路，是利用了一般性程序所具備的性質，即大部分對象都會在短時間內成為垃圾，而經過一定時間依然存活的對象往往擁有較長的壽命。如果壽命長的對象更容易存活下來，壽命短的對象則會被很快廢棄，那么到底怎樣做才能讓GC變得更加高效呢？如果對分配不久，誕生時間較短的“年輕”對象進行重點掃描，應該就可以更有效地回收大部分垃圾。

在分代回收中，對象按照生成時間進行分代，剛剛生成不久的年輕對象劃為新生代（Young gen-eration），而存活了較長時間的對象劃為老生代（Old generation）。根據具體實現方式的不同，可能還會劃分更多的代，在這里為了講解方便，我們就先限定為兩代。如果上述關于對象壽命的假說成立的話，那么只要僅僅掃描新生代對象，就可以回收掉廢棄對象中的很大一部分。像這種只掃描新生代對象的回收操作，被稱為小回收（Minor GC）。小回收的具體回收步驟如下。首先從根開始一次常規掃描，找到“存活”對象。這個步驟采用標記清除或者是復制收集算法都可以，不過大多數分代回收的實現都采用了復制收集算法。需要注意的是，在掃描的過程中，如果遇到屬于老生代的對象，則不對該對象繼續進行遞歸掃描。這樣一來，需要掃描的對象數量就會大幅減少。然后，將第一次掃描后殘留下來的對象劃分到老生代。具體來說，如果是用復制收集算法的話，只要將復制目標空間設置為老生代就可以了；而用標記清除算法的話，則大多采用在對象上設置某種標志的方式。

從任何地方都沒有進行引用的老生代中的F對象，會通過大回收操作進行回收。

對來自老生代的引用進行記錄這個時候，問題出現了，從老生代對象對新生代對象的引用怎么辦呢？如果只掃描新生代區域的話，那么從老生代對新生代的引用就不會被檢測到。這樣一來，如果一個年輕的對象只有來自老生代對象的引用，就會被誤認為已經“死亡”了。因此，在分代回收中，會對對象的更新進行監視，將從老生代對新生代的引用，記錄在一個叫做記錄集（remembered set）的表中（圖5）。在執行小回收的過程中，這個記錄集也作為一個根來對待。

要讓分代回收正確工作，必須使記錄集的內容保持更新。為此，在老生代到新生代的引用產生的瞬間，就必須對該引用進行記錄，而負責執行這個操作的子程序，需要被嵌入到所有涉及對象更新操作的地方。這個負責記錄引用的子程序是這樣工作的。設有兩個對象：A和B，當對A的內容進行改寫，并加入對B的引用時，如果①A屬于老生代對象，②B屬于新生代對象，則將該引用添加到記錄集中。這種檢查程序需要對所有涉及修改對象內容的地方進行保護，因此被稱為寫屏障（Write barrier）。寫屏障不僅用于分代回收，同時也用在很多其他的GC算法中。雖說老生代區域中的對象一般來說壽命都比較長，但也決不是“不老不死”的。隨著程序的運行，老生代區域中的“死亡”對象也在不斷增加。為了避免這些死亡的老生代對象白白占用內存空間，偶爾需要對包括老生代區域在內的全部區域進行一次掃描回收。像這樣以全部區域為對象的GC操作被稱為完全回收（Full GC）或者大回收（Major GC）。分代回收通過減少GC中掃描的對象數量，達到縮短GC帶來的平均中斷時間的效果。不過由于還是需要進行大回收，因此最大中斷時間并沒有得到什么改善。從吞吐量來看，在對象壽命假說能夠成立的程序中，由于掃描對象數量的減少，可以達到非常不錯的成績。但是，其性能會被程序行為、分代數量、大回收觸發條件等因素大幅度左右。

2、增量回收

在對實時性要求很高的程序中，比起縮短GC的平均中斷時間，往往更重視縮短GC的最大中斷時間。例如，在機器人的姿勢控制程序中，如果因為GC而讓控制程序中斷了0.1秒，機器人可能就摔倒了?；蛘撸绻囕v制動控制程序因為GC而延遲響應的話，后果也是不堪設想的。在這些對實時性要求很高的程序中，必須能夠對GC所產生的中斷時間做出預測。例如，可以將“最多只能中斷10毫秒”作為附加條件。在一般的GC算法中，作出這樣的保證是不可能的，因為GC產生的中斷時間與對象的數量和狀態有關。

因此，為了維持程序的實時性，不等到GC全部完成，而是將GC操作細分成多個部分逐一執行。這種方式被稱為增量回收（Incremental GC）。在增量回收中，由于GC過程是漸進的，在回收過程中程序本身會繼續運行，對象之間的引用關系也可能會發生變化。如果已經完成掃描和標記的對象被修改，對新的對象產生了引用，這個新對象就不會被標記，明明是“存活”對象卻被回收掉了。在增量回收中為了避免這樣的問題，和分代回收一樣也采用了寫屏障。當已經被標記的對象的引用關系發生變化時，通過寫屏障會將新被引用的對象作為掃描的起始點記錄下來。由于增量回收的過程是分步漸進式的，可以將中斷時間控制在一定長度之內。另一方面，由于中斷操作需要消耗一定的時間，GC所消耗的總時間就會相應增加，正所謂有得必有失。

3、并行回收

最近的計算機中，一塊芯片上搭載多個CPU核心的多核處理器已經逐漸普及。不僅是服務器，就連個人桌面電腦中，多核CPU也已經成了家常便飯。例如美國英特爾公司的Core i7就擁有6核12個線程。在這樣的環境中，就需要通過利用多線程來充分發揮多CPU的性能。并行回收正是通過最大限度利用多CPU的處理能力來進行GC操作的一種方式。并行回收的基本原理是，是在原有的程序運行的同時進行GC操作，這一點和增量回收是相似的。不過，相對于在一個CPU上進行GC任務分割的增量回收來說，并行回收可以利用多CPU的性能，盡可能讓這些GC任務并行（同時）進行。由于軟件運行和GC操作是同時進行的，因此就會遇到和增量回收相同的問題。為了解決這個問題，并行回收也需要用寫屏障來對當前的狀態信息保持更新。不過，讓GC操作完全并行，而一點都不影響原有程序的運行，是做不到的。因此在GC操作的某些特定階段，還是需要暫停原有程序的運行。在多核化快速發展的現在，并行回收也成了一個非常重要的話題，它的算法也在不斷進行改善。在硬件系統的支持下，無需中斷原有程序的完全并行回收器也已經呼之欲出。今后，這個領域相當值得期待。

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