資訊專欄INFORMATION COLUMN
摘要：垃圾回收器追蹤所有正在使用的對象，將無用對象標記為垃圾。自動化指針內存回收自動化的最好方式之一是使用鉤子函數。它們可能因為多種原因發生，但是這種垃圾回收器是最主流的一種。
原文出處：What Is Garbage Collection?
一眼就應該從名稱看出垃圾回收機制的含義-查找垃圾，然后丟棄。事實正好相反。垃圾回收器追蹤所有正在使用的對象，將無用對象標記為垃圾。請留意，我們開始研究JVM的“Garbage Collection”的實現細節。
避免倉促進入細節，我們因該從入門開始入手。理解垃圾收集器的一般規律，核心、概念，處理方法。
鄭重聲明：本文關注的是Oracle的Hotspot和OpenJDK。其他運行環境或者其他的JVM，諸如jRockit，IBM J9、以及本手冊提及的一些產品會有一些差異化。
內存管理指南
在我們開始講解垃圾回收器的工作方式之前，你需要手動為你的數據分配一塊可用空間。如果你忘記分配，你將不能重復使用這塊空間。這塊空間將被聲明但是不能被使用。例如，內存泄漏。
下面是一個用C實現的簡單內存管理使用示例：
int send_request() {
size_t n = read_size();
int *elements = malloc(n * sizeof(int));
if(read_elements(n, elements) < n) {
// elements not freed!
return -1;
}
// …
free(elements)
return 0;
}
正如您看到的，它非常容易忘記去釋放內存。內存泄漏是一個比現在更加廣泛的共性問題。你只能把內嵌在你的代碼來克服這個問題。因此，最好的方法是自動回收不用的內存，以完全避免人為錯誤。例如Garbage Collection(GC)自動化操作。
自動化指針
內存回收自動化的最好方式之一是使用鉤子函數。例如，在C++中我們使用vector做同樣的事情，當數據在作用域不再使用時被自動調用的一種鉤子函數：
int send_request() {
size_t n = read_size();
vector elements = vector(n);
if(read_elements(elements.size(), &elements[0]) < n) {
return -1;
}
return 0;
}
但是多數情況下更加復雜，特別是對象被多個線程跨線程共享，僅僅使用鉤子函數不合適，由此產生最簡單的垃圾回收機制：引用計數。對于每一個對象，只要簡單知道它被引用了多少次，當計數器歸零的時候，它就被安全回收。下面是C++共享指針的著名例子：
int send_request() {
size_t n = read_size();
auto elements = make_shared>();
// read elements
store_in_cache(elements);
// process elements further
return 0;
}
現在，為了避免元素在下一時刻被其他函數調用，我們也許應該將它們緩存起來。在這種情況下，我們不能選擇當它出了作用域就銷毀vector。因此，我們使用shared_ptr。它記錄引用次數。在它的作用域內數量增加，在作用域之外次數減少。一旦引用次數歸零，shared_ptr 自動刪除其下的vector。
內存自動管理
從上面的C++代碼可以看出，我們依然明確提出關注內存管理。但是如果使用這種方式管理所有的內存有會怎樣呢？它變得非常方便，自此開發人員不再考慮自己手動清除。運行環境會自動識別不再使用的內存并且釋放它。換句話說，它自動回收垃圾。世界上第一款垃圾收集于1959年使用Lisp語言實現，自此相關技術開始向前發展。
引用計數
上文提到我們使用C++共享指針的方式管理所有對象。許多語言，例如 Perl, Python ,PHP都采用這種方式。下圖很好說明了這種方法：
綠色云狀圖標指向的對象說明他們仍然被程序占用。技術上，他們類似于當前執行方法的本地變量或者靜態變量或者其他。不同語言之間的差別很大，本文不做關注。
藍色圖標表示內存中存活的對象，里面的數字代表它們被引用的次數。最后，灰色圖標表示沒有被任何存活對象引用（就是直接被綠色云狀代表對象引用的對象）。灰色對象就這樣被當成垃圾，被垃圾收集器清除。
這看起來很不錯，不是嗎？好吧，的確，但是這種方式存在一個巨大的缺點。這些沒有在作用域中對象發生環狀引用，由于環狀引用導致他們的引用計數不歸零。下面是示意圖：
看到了嗎？實際上，紅色對象沒有被應用程序使用而成為垃圾。由于引用計數的局限性，他們造成了內存泄漏。
有幾種方法客服這種情況，例如使用特殊的“”weak“”引用，或者為了環狀應用特殊的算法。Perl, Python ，PHP使用哪種方式處理，不在本文的討論范圍之內。相反，我開始討論更多JVM的實現細節。
標記清除
首先，對于可達對象，JVM有著明確的定義。與上面章節中綠色云狀圖模糊定義不同的是，我們有一個叫做Garbage Collection Roots（GC Root）的明確定義：
局部變量
活躍線程
靜態域
JNI引用
JVM使用這種方式追蹤所有可達（存活）的對象，通過被稱作標記清除算法重復掃描確定不可達對象。該算法包含兩步：
標記，掃描所有的可達對象，在本地內存這些對象的副本。
清除，確保所有被不可達對象占據的內存空間可以在下一次重新分配。
JVM中多種不同的算法，例如Parallel Scavenge，Parallel Mark+Copy，CMS，他們的實施階段不盡相同，但是執行步驟和上面描述的兩步類似。
這些算法很重要的一點是保證環形引用不再泄漏：
不太好的一點是，回收操作發生的時候，所有的應用線程被停止。正如它們一直在改變引用導致無法準確計算它們的應用的那樣。像這種應用線程被暫時停止，以便JVM活動的晴空稱之為“”stop-the-world“”。它們可能因為多種原因發生，但是這種垃圾回收器是最主流的一種。
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