垃圾回收算法

垃圾回收算法演講人：日期：REPORTING目錄垃圾回收概述標(biāo)記-清除算法詳解復(fù)制算法原理與實(shí)踐標(biāo)記-整理算法深入剖析分代收集策略解讀引用計(jì)數(shù)法簡介與局限性討論P(yáng)ART01垃圾回收概述REPORTING垃圾回收（GarbageCollection，GC）是一種自動(dòng)的存儲(chǔ)管理機(jī)制，它負(fù)責(zé)自動(dòng)回收程序不再使用的內(nèi)存空間，避免內(nèi)存泄漏和內(nèi)存溢出問題。垃圾回收的主要目的是提高內(nèi)存使用效率，減少程序員手動(dòng)管理內(nèi)存的負(fù)擔(dān)，同時(shí)降低因內(nèi)存管理不當(dāng)導(dǎo)致的程序錯(cuò)誤。垃圾回收定義與目的垃圾回收目的垃圾回收定義垃圾回收器通過跟蹤算法來發(fā)現(xiàn)不再使用的對(duì)象。常見的跟蹤算法有引用計(jì)數(shù)法和可達(dá)性分析算法。引用計(jì)數(shù)法通過為每個(gè)對(duì)象維護(hù)一個(gè)引用計(jì)數(shù)器來記錄該對(duì)象被引用的次數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器歸零時(shí)，說明該對(duì)象不再被使用?？蛇_(dá)性分析算法則從根對(duì)象出發(fā)，遞歸地遍歷所有可達(dá)對(duì)象，未被遍歷到的對(duì)象即為垃圾對(duì)象。在確定了哪些對(duì)象是垃圾之后，垃圾回收器需要采取合適的回收策略來回收這些對(duì)象的內(nèi)存空間。常見的回收策略有標(biāo)記-清除算法、復(fù)制算法、標(biāo)記-整理算法和分代收集算法等。為了避免在垃圾回收過程中產(chǎn)生新的垃圾對(duì)象，一些垃圾回收器會(huì)采用停止-復(fù)制機(jī)制。在回收過程中，程序會(huì)暫停運(yùn)行，垃圾回收器將活動(dòng)對(duì)象從一個(gè)內(nèi)存區(qū)域復(fù)制到另一個(gè)內(nèi)存區(qū)域，然后一次性回收原內(nèi)存區(qū)域中的所有垃圾對(duì)象。跟蹤算法回收策略停止-復(fù)制機(jī)制垃圾回收機(jī)制基本原理垃圾回收廣泛應(yīng)用于各種需要自動(dòng)內(nèi)存管理的編程語言中，如Java、C#、Python等。這些語言通常用于開發(fā)大型軟件項(xiàng)目、Web應(yīng)用程序、移動(dòng)應(yīng)用程序等。應(yīng)用場景不同的應(yīng)用場景對(duì)垃圾回收的需求也不同。例如，在實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)中，需要盡可能減少垃圾回收的暫停時(shí)間；在高并發(fā)場景下，需要保證垃圾回收的線程安全性；在內(nèi)存受限的環(huán)境中，需要優(yōu)化垃圾回收的內(nèi)存占用等。因此，垃圾回收算法需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景進(jìn)行定制和優(yōu)化。需求分析常見應(yīng)用場景及需求分析PART02標(biāo)記-清除算法詳解REPORTING標(biāo)記-清除算法從根對(duì)象（如全局變量、棧中的局部變量等）開始，遞歸地訪問所有可達(dá)對(duì)象，并將它們標(biāo)記為活動(dòng)對(duì)象。從根對(duì)象開始標(biāo)記未被標(biāo)記的對(duì)象即為垃圾對(duì)象，這些對(duì)象在內(nèi)存中不再被引用，因此可以被安全地回收。識(shí)別垃圾對(duì)象當(dāng)所有可達(dá)對(duì)象都被標(biāo)記后，標(biāo)記階段結(jié)束。此時(shí)，系統(tǒng)中所有未被標(biāo)記的對(duì)象都被視為垃圾對(duì)象。停止條件標(biāo)記階段：識(shí)別可達(dá)對(duì)象與垃圾對(duì)象在清除階段，垃圾回收器會(huì)遍歷堆內(nèi)存，將所有未被標(biāo)記的垃圾對(duì)象所占用的內(nèi)存空間釋放回系統(tǒng)。清除垃圾對(duì)象為了提高內(nèi)存利用率，垃圾回收器可能會(huì)對(duì)剩余的活動(dòng)對(duì)象進(jìn)行內(nèi)存壓縮，將它們緊密排列在一起，以減少內(nèi)存碎片。壓縮內(nèi)存空間在內(nèi)存壓縮過程中，活動(dòng)對(duì)象的內(nèi)存地址可能會(huì)發(fā)生變化。因此，垃圾回收器需要更新所有引用這些對(duì)象的指針或引用，以確保程序能夠正確地訪問它們。更新引用地址清除階段：釋放無用對(duì)象所占內(nèi)存空間優(yōu)點(diǎn)標(biāo)記-清除算法實(shí)現(xiàn)簡單，適用于大多數(shù)垃圾回收?qǐng)鼍?。它能夠有效地回收垃圾?duì)象所占用的內(nèi)存空間，避免內(nèi)存泄漏問題。缺點(diǎn)標(biāo)記-清除算法可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片，導(dǎo)致內(nèi)存利用率降低。此外，在清除階段需要遍歷整個(gè)堆內(nèi)存，可能會(huì)消耗較多的時(shí)間和計(jì)算資源。適用場景標(biāo)記-清除算法適用于內(nèi)存空間較大、垃圾對(duì)象較多的場景。它特別適合于需要頻繁分配和釋放小內(nèi)存塊的程序，如動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理、字符串處理等。然而，在實(shí)時(shí)性要求較高或內(nèi)存資源有限的嵌入式系統(tǒng)中，可能需要考慮其他更高效的垃圾回收算法。優(yōu)缺點(diǎn)分析及適用場景討論P(yáng)ART03復(fù)制算法原理與實(shí)踐REPORTING將內(nèi)存分為兩個(gè)相等大小的區(qū)域，每次只使用其中一個(gè)區(qū)域。當(dāng)進(jìn)行垃圾回收時(shí)，將正在使用的區(qū)域中的活躍對(duì)象復(fù)制到另一個(gè)未使用的區(qū)域中，然后清空正在使用的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)垃圾回收。復(fù)制算法基本思想在垃圾回收過程中，復(fù)制算法會(huì)從根對(duì)象開始遍歷所有可達(dá)對(duì)象，并將這些對(duì)象復(fù)制到目標(biāo)區(qū)域。復(fù)制完成后，原區(qū)域中的所有對(duì)象都被視為垃圾，可以被直接清除。復(fù)制過程復(fù)制算法基本思想介紹半?yún)^(qū)復(fù)制策略將內(nèi)存區(qū)域劃分為兩個(gè)相等大小的半?yún)^(qū)，交替使用。當(dāng)其中一個(gè)半?yún)^(qū)滿時(shí)，觸發(fā)垃圾回收，將活躍對(duì)象復(fù)制到另一個(gè)半?yún)^(qū)。這種策略可以減少內(nèi)存浪費(fèi)，但可能導(dǎo)致頻繁的垃圾回收。全區(qū)復(fù)制策略將整個(gè)內(nèi)存區(qū)域作為一個(gè)整體進(jìn)行復(fù)制。當(dāng)內(nèi)存使用達(dá)到一定閾值時(shí)，觸發(fā)垃圾回收，將活躍對(duì)象復(fù)制到另一個(gè)未使用的內(nèi)存區(qū)域。這種策略可以降低垃圾回收頻率，但需要更多的內(nèi)存空間。半?yún)^(qū)復(fù)制和全區(qū)復(fù)制策略比較優(yōu)點(diǎn)復(fù)制算法實(shí)現(xiàn)簡單，內(nèi)存利用率高，不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存碎片。同時(shí)，由于每次只復(fù)制活躍對(duì)象，因此復(fù)制過程相對(duì)較快。需要額外的內(nèi)存空間進(jìn)行對(duì)象復(fù)制，且當(dāng)對(duì)象存活率較高時(shí)，復(fù)制開銷較大。此外，對(duì)于大對(duì)象或復(fù)雜對(duì)象結(jié)構(gòu)，復(fù)制過程可能變得復(fù)雜和低效。根據(jù)內(nèi)存使用情況和對(duì)象存活率動(dòng)態(tài)調(diào)整復(fù)制策略，以降低垃圾回收開銷。盡量將對(duì)象分配在連續(xù)的內(nèi)存空間中，以減少復(fù)制過程中的內(nèi)存訪問開銷。在對(duì)象復(fù)制過程中使用讀寫屏障技術(shù)，以確保在垃圾回收過程中對(duì)象的一致性。這可以避免在復(fù)制過程中產(chǎn)生不必要的對(duì)象復(fù)制和更新操作。缺點(diǎn)優(yōu)化對(duì)象分配策略使用讀寫屏障技術(shù)采用自適應(yīng)策略優(yōu)缺點(diǎn)分析及性能優(yōu)化建議PART04標(biāo)記-整理算法深入剖析REPORTING從根節(jié)點(diǎn)開始，遞歸地訪問對(duì)象圖，對(duì)可達(dá)對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記。標(biāo)記階段整理階段清理階段移動(dòng)所有可達(dá)對(duì)象，使其緊湊排列，并更新所有引用這些對(duì)象的地方?；厥瘴礃?biāo)記的對(duì)象，即不可達(dá)對(duì)象所占用的內(nèi)存空間。030201標(biāo)記-整理算法流程概述03內(nèi)存重定位法通過修改程序的虛擬地址空間來整理內(nèi)存碎片，將程序加載到連續(xù)的內(nèi)存空間中。01滑動(dòng)指針法通過移動(dòng)指針來整理內(nèi)存碎片，將空閑內(nèi)存空間合并成連續(xù)的內(nèi)存塊。02伙伴系統(tǒng)法將內(nèi)存塊分為不同大小的組，每組包含相同大小的內(nèi)存塊，以減少內(nèi)存碎片。碎片整理技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式探討減少了內(nèi)存碎片，提高了內(nèi)存利用率；適用于需要長時(shí)間運(yùn)行且內(nèi)存碎片問題嚴(yán)重的系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)需要額外的空間來存儲(chǔ)標(biāo)記信息和整理過程中的臨時(shí)數(shù)據(jù)；整理過程可能會(huì)導(dǎo)致程序暫停，影響實(shí)時(shí)性。缺點(diǎn)適用于需要高效內(nèi)存管理的系統(tǒng)，如大型數(shù)據(jù)庫、科學(xué)計(jì)算等；不適用于實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，如嵌入式系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)等。適用場景優(yōu)缺點(diǎn)分析及適用場景選擇PART05分代收集策略解讀REPORTING將堆內(nèi)存劃分為多個(gè)年輕代和一個(gè)老年代，根據(jù)對(duì)象存活周期將不同對(duì)象放入不同年代中進(jìn)行管理。分代收集思想通過分代管理，可以針對(duì)不同年代對(duì)象采用不同垃圾回收算法，提高垃圾回收效率和減少垃圾回收對(duì)程序運(yùn)行的影響。優(yōu)勢分代收集思想及其優(yōu)勢闡述年輕代和老年代劃分依據(jù)和原則年輕代劃分依據(jù)對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)首先放入年輕代，經(jīng)過一定次數(shù)的垃圾回收后仍然存活的對(duì)象會(huì)被晉升到老年代。老年代劃分原則長時(shí)間存活的對(duì)象和較大的對(duì)象會(huì)被直接分配到老年代，以避免頻繁進(jìn)行垃圾回收和內(nèi)存整理操作。年輕代垃圾回收策略01通常采用復(fù)制算法或標(biāo)記整理算法，因?yàn)槟贻p代中對(duì)象存活率較低，可以通過復(fù)制或整理的方式快速回收內(nèi)存。老年代垃圾回收策略02由于老年代中對(duì)象存活率較高，通常采用標(biāo)記清除算法或標(biāo)記壓縮算法進(jìn)行垃圾回收，以減少內(nèi)存碎片和提高內(nèi)存利用率?？绱脝栴}處理03在分代收集中需要處理跨代引用問題，即老年代對(duì)象引用年輕代對(duì)象的情況。一般采用記憶集或卡表等方式來記錄跨代引用關(guān)系，以便在垃圾回收時(shí)正確處理這些引用關(guān)系。不同代之間垃圾回收策略差異比較PART06引用計(jì)數(shù)法簡介與局限性討論REPORTING原理引用計(jì)數(shù)法是一種垃圾回收算法，其基本原理是對(duì)每個(gè)對(duì)象維護(hù)一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，當(dāng)對(duì)象被引用時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，當(dāng)引用被丟棄時(shí)，計(jì)數(shù)器減1，當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)，回收該對(duì)象。實(shí)現(xiàn)方式在對(duì)象被創(chuàng)建時(shí)，為其分配一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，并初始化為1；在對(duì)象被引用時(shí)，如賦值給其他變量或作為函數(shù)參數(shù)傳遞，將其引用計(jì)數(shù)器加1；在對(duì)象引用被丟棄時(shí)，如變量離開作用域或被重新賦值，將其引用計(jì)數(shù)器減1。引用計(jì)數(shù)法原理及實(shí)現(xiàn)方式VS當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)對(duì)象相互引用時(shí)，即使它們不再被外部引用，它們的引用計(jì)數(shù)器也不會(huì)為0，從而導(dǎo)致垃圾回收器無法回收這些對(duì)象，造成內(nèi)存泄漏。解決方案為了解決循環(huán)引用問題，可以采用弱引用、標(biāo)記-清除算法或手動(dòng)解除循環(huán)引用等方法。其中，弱引用是一種不增加對(duì)象引用計(jì)數(shù)器的引用方式，當(dāng)對(duì)象只被弱引用引用時(shí)，垃圾回收器可以回收該對(duì)象；標(biāo)記-清除算法則是一種更復(fù)雜的垃圾回收算法，可以檢測并回收循環(huán)引用的對(duì)象；手動(dòng)解除循環(huán)引用則需要程序員在代碼中顯式地解除對(duì)象之間的引用關(guān)系。循環(huán)引用問題循環(huán)引用問題及其解決方案局限性引用計(jì)數(shù)法雖然實(shí)現(xiàn)簡單，但存在循環(huán)引用問題，且需要額外維護(hù)引用計(jì)數(shù)器，增加了內(nèi)存開銷。此外，在并發(fā)環(huán)境下，引用計(jì)數(shù)法還需要考慮線程安全