摘要：它的基本原理是，在每個(gè)對(duì)象中保存該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)，當(dāng)引用發(fā)生增減時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)進(jìn)行更新。實(shí)現(xiàn)容易是引用計(jì)數(shù)算法最大的優(yōu)點(diǎn)。引用計(jì)數(shù)最大的缺點(diǎn)，就是無(wú)法釋放循環(huán)引用的對(duì)象。為了避免這種情況的發(fā)生，對(duì)引用計(jì)數(shù)的操作必須采用獨(dú)占的方式來(lái)進(jìn)行。

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就是需要回收的對(duì)象。

作為編寫程序的人，是可以做出“這個(gè)對(duì)象已經(jīng)不再需要了”這樣的判斷，但計(jì)算機(jī)是做不到的。因此，如果程序（通過(guò)某個(gè)變量等等）可能會(huì)直接或間接地引用一個(gè)對(duì)象，那么這個(gè)對(duì)象就被視為“存活”；與之相反，已經(jīng)引用不到的對(duì)象被視為“死亡”。將這些“死亡”對(duì)象找出來(lái)，然后作為垃圾進(jìn)行回收，這就是GC的本質(zhì)。

就是判斷對(duì)象是否可被引用的起始點(diǎn)。

至于哪里才是根，不同的語(yǔ)言和編譯器都有不同的規(guī)定，但基本上是將變量和運(yùn)行棧空間作為根。好了，用上面這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)，我們來(lái)講一講主要的GC算法。

標(biāo)記清除（Mark and Sweep）是最早開發(fā)出的GC算法（1960年）。它的原理非常簡(jiǎn)單，首先從根開始將可能被引用的對(duì)象用遞歸的方式進(jìn)行標(biāo)記，然后將沒(méi)有標(biāo)記到的對(duì)象作為垃圾進(jìn)行回收。

圖1顯示了標(biāo)記清除算法的大致原理。圖1中的（1）部分顯示了隨著程序的運(yùn)行而分配出一些對(duì)象的狀態(tài)，一個(gè)對(duì)象可以對(duì)其他的對(duì)象進(jìn)行引用。圖中（2）部分中，GC開始執(zhí)行，從根開始對(duì)可能被引用的對(duì)象打上“標(biāo)記”。大多數(shù)情況下，這種標(biāo)記是通過(guò)對(duì)象內(nèi)部的標(biāo)志（Flag）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。于是，被標(biāo)記的對(duì)象我們把它們涂黑。圖中（3）部分中，被標(biāo)記的對(duì)象所能夠引用的對(duì)象也被打上標(biāo)記。重復(fù)這一步驟的話，就可以將從根開始可能被間接引用到的對(duì)象全部打上標(biāo)記。到此為止的操作，稱為標(biāo)記階段（Mark phase）。

標(biāo)記階段完成時(shí)，被標(biāo)記的對(duì)象就被視為“存活”對(duì)象。圖1中的（4）部分中，將全部對(duì)象按順序掃描一遍，將沒(méi)有被標(biāo)記的對(duì)象進(jìn)行回收。這一操作被稱為清除階段（Sweep phase）。

在掃描的同時(shí)，還需要將存活對(duì)象的標(biāo)記清除掉，以便為下一次GC操作做好準(zhǔn)備。標(biāo)記清除算法的處理時(shí)間，是和存活對(duì)象數(shù)與對(duì)象總數(shù)的總和相關(guān)的。

作為標(biāo)記清除的變形，還有一種叫做標(biāo)記壓縮（Mark and Compact）的算法，它不是將被標(biāo)記的對(duì)象清除，而是將它們不斷壓縮。

標(biāo)記清除算法有一個(gè)缺點(diǎn)，就是在分配了大量對(duì)象，并且其中只有一小部分存活的情況下，所消耗的時(shí)間會(huì)大大超過(guò)必要的值，這是因?yàn)樵谇宄A段還需要對(duì)大量死亡對(duì)象進(jìn)行掃描。復(fù)制收集（Copy and Collection）則試圖克服這一缺點(diǎn)。在這種算法中，會(huì)將從根開始被引用的對(duì)象復(fù)制到另外的空間中，然后，再將復(fù)制的對(duì)象所能夠引用的對(duì)象用遞歸的方式不斷復(fù)制下去。

圖2的（1）部分是GC開始前的內(nèi)存狀態(tài)，這和圖1的（1）部分是一樣的。圖2的（2）部分中，在舊對(duì)象所在的“舊空間”以外，再準(zhǔn)備出一塊“新空間”，并將可能從根被引用的對(duì)象復(fù)制到新空間中。圖中（3）部分中，從已經(jīng)復(fù)制的對(duì)象開始，再將可以被引用的對(duì)象像一串糖葫蘆一樣復(fù)制到新空間中。復(fù)制完成之后，“死亡”對(duì)象就被留在了舊空間中。圖中（4）部分中，將舊空間廢棄掉，就可以將死亡對(duì)象所占用的空間一口氣全部釋放出來(lái)，而沒(méi)有必要再次掃描每個(gè)對(duì)象。下次GC的時(shí)候，現(xiàn)在的新空間也就變成了將來(lái)的舊空間。

通過(guò)圖2我們可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)制收集方式中，只存在相當(dāng)于標(biāo)記清除方式中的標(biāo)記階段。由于清除階段中需要對(duì)現(xiàn)存的所有對(duì)象進(jìn)行掃描，在存在大量對(duì)象，且其中大部分都即將死亡的情況下，全部掃描一遍的開銷實(shí)在是不小。而在復(fù)制收集方式中，就不存在這樣的開銷。

但是，和標(biāo)記相比，將對(duì)象復(fù)制一份所需要的開銷則比較大，因此在“存活”對(duì)象比例較高的情況下，反而會(huì)比較不利。這種算法的另一個(gè)好處是它具有局部性（Lo-cality）。在復(fù)制收集過(guò)程中，會(huì)按照對(duì)象被引用的順序?qū)?duì)象復(fù)制到新空間中。于是，關(guān)系較近的對(duì)象被放在距離較近的內(nèi)存空間中的可能性會(huì)提高，這被稱為局部性。局部性高的情況下，內(nèi)存緩存會(huì)更容易有效運(yùn)作，程序的運(yùn)行性能也能夠得到提高。

引用計(jì)數(shù)（Reference Count）方式是GC算法中最簡(jiǎn)單也最容易實(shí)現(xiàn)的一種，它和標(biāo)記清除方式差不多是在同一時(shí)間發(fā)明出來(lái)的。它的基本原理是，在每個(gè)對(duì)象中保存該對(duì)象的引用計(jì)數(shù)，當(dāng)引用發(fā)生增減時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)進(jìn)行更新。引用計(jì)數(shù)的增減，一般發(fā)生在變量賦值、對(duì)象內(nèi)容更新、函數(shù)結(jié)束（局部變量不再被引用）等時(shí)間點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)對(duì)象的引用計(jì)數(shù)變?yōu)?時(shí)，則說(shuō)明它將來(lái)不會(huì)再被引用，因此可以釋放相應(yīng)的內(nèi)存空間。

圖3的（1）部分中，所有對(duì)象中都保存著自己被多少個(gè)其他對(duì)象進(jìn)行引用的數(shù)量（引用計(jì)數(shù)），圖中每個(gè)對(duì)象右上角的數(shù)字就是引用計(jì)數(shù)。圖中（2）部分中，當(dāng)對(duì)象引用發(fā)生變化時(shí)，引用計(jì)數(shù)也跟著變化。在這里，由對(duì)象B到對(duì)象D的引用失效了，于是對(duì)象D的引用計(jì)數(shù)變?yōu)?。由于對(duì)象D的引用計(jì)數(shù)為0，因此由對(duì)象D到對(duì)象C和E的引用數(shù)也分別相應(yīng)減少。結(jié)果，對(duì)象E的引用計(jì)數(shù)也變?yōu)?，于是對(duì)象E也被釋放掉了。圖3的（3）部分中，引用計(jì)數(shù)變?yōu)?的對(duì)象被釋放，“存活”對(duì)象則保留了下來(lái)。大家應(yīng)該注意到，在整個(gè)GC處理過(guò)程中，并不需要對(duì)所有對(duì)象進(jìn)行掃描。

實(shí)現(xiàn)容易是引用計(jì)數(shù)算法最大的優(yōu)點(diǎn)。標(biāo)記清除和復(fù)制收集這些GC機(jī)制在實(shí)現(xiàn)上都有一定難度；而引用計(jì)數(shù)方式的話，凡是有些年頭的C++程序員（包括我在內(nèi)），應(yīng)該都曾經(jīng)實(shí)現(xiàn)過(guò)類似的機(jī)制，可以說(shuō)這種算法是相當(dāng)具有普遍性的。除此之外，當(dāng)對(duì)象不再被引用的瞬間就會(huì)被釋放，這也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。其他的GC機(jī)制中，要預(yù)測(cè)一個(gè)對(duì)象何時(shí)會(huì)被釋放是很困難的，而在引用計(jì)數(shù)方式中則是立即被釋放的。而且，由于釋放操作是針對(duì)每個(gè)對(duì)象個(gè)別執(zhí)行的，因此和其他算法相比，由GC而產(chǎn)生的中斷時(shí)間（Pause time）就比較短，這也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

引用計(jì)數(shù)方式的缺點(diǎn)另一方面，這種方式也有缺點(diǎn)。引用計(jì)數(shù)最大的缺點(diǎn)，就是無(wú)法釋放循環(huán)引用的對(duì)象。

圖4中，A、B、C三個(gè)對(duì)象沒(méi)有被其他對(duì)象引用，而是互相之間循環(huán)引用，因此它們的引用計(jì)數(shù)永遠(yuǎn)不會(huì)為0，結(jié)果這些對(duì)象就永遠(yuǎn)不會(huì)被釋放。引用計(jì)數(shù)的第二個(gè)缺點(diǎn)，就是必須在引用發(fā)生增減時(shí)對(duì)引用計(jì)數(shù)做出正確的增減，而如果漏掉了某個(gè)增減的話，就會(huì)引發(fā)很難找到原因的內(nèi)存錯(cuò)誤。引用數(shù)忘了增加的話，會(huì)對(duì)不恰當(dāng)?shù)膶?duì)象進(jìn)行釋放；而引用數(shù)忘了減少的話，對(duì)象會(huì)一直殘留在內(nèi)存中，從而導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。如果語(yǔ)言編譯器本身對(duì)引用計(jì)數(shù)進(jìn)行管理的話還好，否則，如果是手動(dòng)管理引用計(jì)數(shù)的話，那將成為孕育bug的溫床。

最后一個(gè)缺點(diǎn)就是，引用計(jì)數(shù)管理并不適合并行處理。如果多個(gè)線程同時(shí)對(duì)引用計(jì)數(shù)進(jìn)行增減的話，引用計(jì)數(shù)的值就可能會(huì)產(chǎn)生不一致的問(wèn)題（結(jié)果則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存錯(cuò)誤）。為了避免這種情況的發(fā)生，對(duì)引用計(jì)數(shù)的操作必須采用獨(dú)占的方式來(lái)進(jìn)行。如果引用操作頻繁發(fā)生，每次都要使用加鎖等并發(fā)控制機(jī)制的話，其開銷也是不可小覷的。綜上所述，引用計(jì)數(shù)方式的原理和實(shí)現(xiàn)雖然簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)也很多，因此最近基本上不再使用了。現(xiàn)在，依然采用引用計(jì)數(shù)方式的語(yǔ)言主要有Perl和Python，但它們?yōu)榱吮苊庋h(huán)引用的問(wèn)題，都配合使用了其他的GC機(jī)制。這些語(yǔ)言中，GC基本上是通過(guò)引用計(jì)數(shù)方式來(lái)進(jìn)行的，但偶爾也會(huì)用其他的算法來(lái)執(zhí)行GC，這樣就可以將引用計(jì)數(shù)方式無(wú)法回收的那些對(duì)象處理掉。

代碼的未來(lái)