本文摘自我們幾周后即將出版的Garbage Collection Handbook一書的樣章。同時(shí)也讓你能熟悉下垃圾回收的基礎(chǔ)知識(shí)——這選自該書的***章。

乍一看，垃圾回收所做的事情應(yīng)當(dāng)恰如其名——查找并清除垃圾。事實(shí)上卻恰恰相反。垃圾回收會(huì)跟蹤所有仍在使用的對(duì)象，然后將剩余的對(duì)象標(biāo)記為垃圾。牢記了這點(diǎn)之后，我們?cè)賮?lái)深入地了解下這個(gè)被稱為“垃圾回收”的自動(dòng)化內(nèi)存回收在JVM中到底是如何實(shí)現(xiàn)的。

手動(dòng)管理內(nèi)存

在介紹現(xiàn)代版的垃圾回收之前，我們先來(lái)簡(jiǎn)單地回顧下需要手動(dòng)地顯式分配及釋放內(nèi)存的那些日子。如果你忘了去釋放內(nèi)存，那么這塊內(nèi)存就無(wú)法重用了。這塊內(nèi)存被占有了卻沒(méi)被使用。這種場(chǎng)景被稱之為內(nèi)存泄露。

下面是用C寫的一個(gè)手動(dòng)管理內(nèi)存的簡(jiǎn)單例子：

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;
}

可以看到，你很容易就會(huì)忘了釋放內(nèi)存。內(nèi)存泄露曾經(jīng)是個(gè)非常普遍的問(wèn)題。你只能通過(guò)不斷地修復(fù)自己的代碼來(lái)與它們進(jìn)行抗?fàn)?。因此，需要有一種更優(yōu)雅的方式來(lái)自動(dòng)釋放無(wú)用內(nèi)存，以便減少人為錯(cuò)誤的可能性。這種自動(dòng)化過(guò)程又被稱為垃圾回收（簡(jiǎn)稱GC）。

智能指針

自動(dòng)垃圾回收早期的一種實(shí)現(xiàn)便是引用計(jì)數(shù)。你知曉每一個(gè)對(duì)象被引用了幾次，當(dāng)計(jì)數(shù)器歸0的時(shí)候，這個(gè)對(duì)象就可以被安全地回收掉了。C++的共享指針就是一個(gè)非常著名的例子：

int send_request() {
    size_t n = read_size();
    stared_ptr<vector<int>> elements 
              = make_shared<vector<int>&gt();

    if(read_elements(n, elements) < n) {
        return -1;
    }

    return 0;
}

我們使用的sharedptr會(huì)記錄這個(gè)對(duì)象被引用的次數(shù)。如果你將它傳遞給別人則計(jì)數(shù)加一，當(dāng)它離開了作用域后便會(huì)減一。一旦這個(gè)計(jì)數(shù)為0，sharedptr會(huì)自動(dòng)地刪除底層對(duì)應(yīng)的vector。當(dāng)然這只是個(gè)示例，因?yàn)橐灿凶x者指出來(lái)了，這個(gè)在現(xiàn)實(shí)中是不太可能出現(xiàn)的，但作為演示是足夠了。

自動(dòng)內(nèi)存管理

在上面的C++代碼中，我們還得顯式地聲明我們需要使用內(nèi)存管理。那如果所有的對(duì)象都采用這個(gè)機(jī)制會(huì)怎樣呢？那簡(jiǎn)直就太方便了，這樣開發(fā)人員便無(wú)需 考慮清理內(nèi)存的事情了。運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)知曉哪些內(nèi)存不再使用了，然后釋放掉它。也就是說(shuō)，它自動(dòng)地回收了這些垃圾。***代的垃圾回收器是1959年Lisp 引入的，這項(xiàng)技術(shù)迄今為止一直在不斷演進(jìn)。

引用計(jì)數(shù)

剛才我們用C++的共享指針?biāo)菔镜南敕梢詰?yīng)用到所有的對(duì)象上來(lái)。許多語(yǔ)言比如說(shuō)Perl, Python以及PHP，采用的都是這種方式。這個(gè)通過(guò)一張圖可以很容易說(shuō)明：

綠色的云代表的是程序中仍在使用的對(duì)象。從技術(shù)層面上來(lái)說(shuō)，這有點(diǎn)像是正在執(zhí)行的某個(gè)方法里面的局部變量，亦或是靜態(tài)變量之類的。不同編程語(yǔ)言的情況可能會(huì)不一樣，因此這并不是我們關(guān)注的重點(diǎn)。

藍(lán)色的圓圈代表的是內(nèi)存中的對(duì)象，可以看到有多少對(duì)象引用了它們。灰色圓圈的對(duì)象是已經(jīng)沒(méi)有任何人引用的了。因此，它們屬于垃圾對(duì)象，可以被垃圾回收器清理掉。

看起來(lái)還不錯(cuò)對(duì)吧？沒(méi)錯(cuò)，不過(guò)這里存在著一個(gè)重大的缺陷。很容易會(huì)出現(xiàn)一些孤立的環(huán)，它們中的對(duì)象都不在任何域內(nèi)，但彼此卻互相引用導(dǎo)致引用數(shù)不為0。下面便是一個(gè)例子：

看到了吧，紅色部分其實(shí)就是應(yīng)用程序不再使用的垃圾對(duì)象。由于引用計(jì)數(shù)的缺陷，因此會(huì)存在內(nèi)存泄露。

有幾種方法可以解決這一問(wèn)題，比如說(shuō)使用特殊的“弱”引用，或者使用一個(gè)特殊的算法回收循環(huán)引用。之前提到的Perl,Python以及PHP等語(yǔ)言，都是使用類似的方法來(lái)回收循環(huán)引用的，不過(guò)這已經(jīng)超出本文講述的范圍了。我們準(zhǔn)備詳細(xì)介紹下JVM所采用的方法。

標(biāo)記刪除

首先，JVM對(duì)于對(duì)象可達(dá)性的定義要明確一些。它可不像前面那樣用綠色的云便含糊了事的，而是有著非常明確及具體的垃圾回收根對(duì)象（Garbage Collection Roots）的定義：

• 局部變量
• 活動(dòng)線程
• 靜態(tài)字段
• JNI引用
• 其它（后面將會(huì)討論到）

JVM通過(guò)標(biāo)記刪除的算法來(lái)記錄所有可達(dá)（存活）對(duì)象，同時(shí)確保不可達(dá)對(duì)象的那些內(nèi)存能夠被重用。這包含兩個(gè)步驟：

• 標(biāo)記是指遍歷所有可達(dá)對(duì)象，然后在本地內(nèi)存中記錄這些對(duì)象的信息
• 刪除會(huì)確保不可達(dá)對(duì)象的內(nèi)存地址可以在下一次內(nèi)存分配中使用。

JVM中的不同GC算法，比如說(shuō)Parallel Scavenge，Parallel Mark+Copy， CMS都是這一算法的不同實(shí)現(xiàn)，只是各階段略有不同而已，從概念上來(lái)講仍然是對(duì)應(yīng)著上面所說(shuō)的那兩個(gè)步驟。

這種實(shí)現(xiàn)最重要的就是不會(huì)再出現(xiàn)泄露的對(duì)象環(huán)了：

缺點(diǎn)就是應(yīng)用程序的線程需要被暫停才能完成回收，如果引用一直在變的話你是無(wú)法進(jìn)行計(jì)數(shù)的。這個(gè)應(yīng)用程序被暫停以便JVM可以收拾家務(wù)的情況又被稱為Stop The World pause(STW)。這種暫停被觸發(fā)的可能性有很多，不過(guò)垃圾回收應(yīng)該是最常見的一種。