大家好，我是小?，一個(gè)漂泊江湖多年的 985 非科班程序員，曾混跡于國(guó)企、互聯(lián)網(wǎng)大廠(chǎng)和創(chuàng)業(yè)公司的后臺(tái)開(kāi)發(fā)攻城獅。

垃圾回收（Garbage collection，簡(jiǎn)稱(chēng) GC）是內(nèi)存管理中一個(gè)非常重要的話(huà)題，不管是何種編程語(yǔ)言，GC 的目標(biāo)都是相同的，即準(zhǔn)確高效地識(shí)別和清理內(nèi)存中的垃圾對(duì)象。

不同編程語(yǔ)言在實(shí)現(xiàn)思路上有相似之處，又各自有不同的側(cè)重點(diǎn)，接下來(lái)我們對(duì)比 Python、Java 和 Go 的 GC 機(jī)制來(lái)展開(kāi)聊聊。

Python的垃圾回收特點(diǎn)

1.引用計(jì)數(shù)機(jī)制為主要策略

Python 通過(guò)ob_refcnt字段，追蹤對(duì)象被引用的次數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)減至零時(shí)，對(duì)象生命終結(jié)，即刻被垃圾回收機(jī)制回收。

這種方式簡(jiǎn)單明了，即時(shí)回收無(wú)用對(duì)象，避免了程序中長(zhǎng)時(shí)間占用無(wú)用內(nèi)存的問(wèn)題，但其自身不能處理循環(huán)引用。

2.標(biāo)記-清除解決循環(huán)引用

Python 輔以標(biāo)記-清除算法，主要處理容器對(duì)象的循環(huán)引用問(wèn)題。Python 中的垃圾回收器會(huì)周期性地執(zhí)行，掃描對(duì)象，標(biāo)記所有從根對(duì)象集合開(kāi)始可訪(fǎng)問(wèn)到的對(duì)象，未被標(biāo)記的對(duì)象即被認(rèn)定為垃圾，進(jìn)行清除。

這種方式確保了即使在復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系中，內(nèi)存也能得到有效管理與釋放。

3.分代回收優(yōu)化性能

為了減少引用計(jì)數(shù)和標(biāo)記-清除乃至內(nèi)存整體的管理開(kāi)銷(xiāo)，Python 引入了分代回收機(jī)制，該機(jī)制將對(duì)象分為不同的代（通常是三代），假設(shè)對(duì)象存活時(shí)間越長(zhǎng)，越不可能成為垃圾，因此新生代的對(duì)象頻繁檢查回收，老年代對(duì)象檢查回收頻率則低，這樣可以大幅減少垃圾回收帶來(lái)的性能損耗。

Java的垃圾回收特點(diǎn)

1.可達(dá)性分析

Java 垃圾回收器根據(jù)從 GC Root 開(kāi)始的引用鏈，判定對(duì)象是否可達(dá)。

所謂 GC Root，包括類(lèi)靜態(tài)屬性、活動(dòng)線(xiàn)程、JNI 引用等。若對(duì)象在引用鏈上，則視為可達(dá)；反之，視為垃圾。這種分析方法摒棄了引用計(jì)數(shù)的局限，有效避免了循環(huán)引用問(wèn)題。

2.分代回收機(jī)制

Java 內(nèi)存空間被劃分為年輕代、老年代和永久代（后改進(jìn)為元空間），這樣的分代機(jī)制讓 Java 的垃圾回收更高效。

年輕代適用更快的垃圾回收算法，因?yàn)槟贻p代對(duì)象生命周期短，死亡速度快。對(duì)于老年代，由于其包含生命周期長(zhǎng)的對(duì)象，因此使用不同的回收策略，減少回收頻率，節(jié)約系統(tǒng)資源。

3.多種垃圾回收器選擇

Java 提供了多種垃圾回收器，比如 Serial、Parallel、CMS、G1 及 ZGC 等，應(yīng)對(duì)不同的使用場(chǎng)景。

比如，Serial 適合客戶(hù)端模式，而 G1 垃圾回收器更適合需要大內(nèi)存、多核服務(wù)器環(huán)境使用，實(shí)現(xiàn)了高并發(fā)和低停頓時(shí)間，它們各取所長(zhǎng)，為開(kāi)發(fā)者提供了豐富的內(nèi)存管理選項(xiàng)。

4Go的垃圾回收特點(diǎn)

1.三色標(biāo)記法

Go 語(yǔ)言自 v1.5 以來(lái)，采用了三色標(biāo)記法，在程序運(yùn)行期間進(jìn)行垃圾回收，程序執(zhí)行并未完全中斷，這一并發(fā)垃圾回收機(jī)制提高了回收效率。

在操作中，對(duì)象在初始被視為白色（可能是垃圾），然后可達(dá)對(duì)象在遍歷過(guò)程中變?yōu)榛疑ù幚恚┖妥罱K的黑色（存活對(duì)象），未標(biāo)記到的對(duì)象即為垃圾，準(zhǔn)備被回收。

2.三色不變性

在垃圾收集領(lǐng)域，三色不變性是并發(fā)標(biāo)記算法中的一個(gè)重要概念。想要在并發(fā)或者增量的標(biāo)記算法中保證正確性，我們需要達(dá)成以下兩種三色不變性（Tri-color invariant）中的一種：

• 強(qiáng)三色不變性 — 黑色對(duì)象不會(huì)指向白色對(duì)象，只會(huì)指向灰色對(duì)象或者黑色對(duì)象；
• 弱三色不變性 — 黑色對(duì)象指向的白色對(duì)象必須包含一條從灰色對(duì)象經(jīng)由多個(gè)白色對(duì)象的可達(dá)路徑；

它確保了在整個(gè)標(biāo)記過(guò)程中，不會(huì)錯(cuò)誤地回收還在使用的對(duì)象。

3.混合寫(xiě)屏障

混合寫(xiě)屏障正是基于三色不變式的一種優(yōu)化實(shí)踐，它在 Go 的垃圾收集器中負(fù)責(zé)在并發(fā)標(biāo)記階段維護(hù)三色不變式的正確性。在 Go v1.8 中引入后，混合寫(xiě)屏障結(jié)合了“插入”和“刪除”屏障的策略，巧妙地減少了因?yàn)槌绦虻倪\(yùn)行而帶來(lái)的標(biāo)記干擾。

插入屏障是指在對(duì)象引用時(shí)進(jìn)行干預(yù)，而刪除屏障則是在對(duì)象引用被刪除時(shí)進(jìn)行操作。通過(guò)這一策略，Go 確保了在對(duì)象圖的動(dòng)態(tài)變化下，也不會(huì)因?yàn)檫z漏對(duì)新活對(duì)象的標(biāo)記或錯(cuò)誤地標(biāo)記死對(duì)象而破壞垃圾收集的準(zhǔn)確性，這是并發(fā)收集算法中的一個(gè)巨大突破。

小結(jié)

垃圾回收機(jī)制在內(nèi)存管理中發(fā)揮著核心作用，有效地回收內(nèi)存中的廢棄對(duì)象。

本文比較了 Python、Java 和Go 三種編程語(yǔ)言的垃圾回收策略。