自动内存管理 | 青训营笔记

可可许
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这是我参与「第三届青训营 -后端场」笔记创作活动的的第 2 篇笔记

1 自动内存管理

  • 动态内存
    • 程序在运行时根据需求动态分配的内存： malloc()
  • 自动内存管理（垃圾回收）：由程序语言的运行时系统回收动态内存
    • 避免手动内存管理, 专注于实现业务逻辑
    • 保证内存使用的正确性和安全性：double-free problem, use-after-free problem
  • 三个任务
    • 为新对象分配空间
    • 找到存活对象
    • 回收死亡对象的内存空间

1.1 相关概念

  • Mutator：业务线程，分配新对象，修改对象指向关系
  • Collector： GC 线程，找到存活对象，回收死亡对象的内存空间
  • Serial GC：只有一个 collector
  • Parallel GC：支持多个 collector 同时回收的 GC 算法
  • Concurrent GC： mutator(s) 和 collector(s) 可以同时执行
    • Collectors 必须感知对象关系的改变！

image.png

重点： 一般执行 GC 任务时会暂停业务线程的工作，例如 Serial GC 和 Parallel GC，但也是可以两者同时进行的，这样需要注意的问题就是当已标记对象又被业务线程创建了新的关联对象需要能够感知到，否则会发生 GC 错误

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  • 评价 GC 算法
    • 安全性（Safety）：不能回收存活的对象
    • 吞吐率（Throughput）：1−GC时间程序执行总时间1 - \frac{GC时间}{程序执行总时间}
    • 暂停时间（Pause time）：stop the world（STW）
    • 内存开销（Space overhead）
  • 追踪垃圾回收（Tracing garbage collection）
  • 引用计数（Reference counting）

1.2 追踪垃圾回收

  • 对象被回收的条件：指针指向关系不可达的对象
  • 标记根对象
    • 静态变量、全局变量、常量、线程栈等
  • 标记：找到可达对象
    • 求指针指向关系的传递闭包：从根对象触发，找到所有可达对象
  • 清理：所有不可达对象

    • 将存活对象复制到另外的内存空间（Copying GC） image.png

    • 将死亡对象的内存标记为“可分配”（Mark-sweep GC） image.png

    • 移动并整理存活对象（Mark-compact GC） image.png

  • 根据对象的生命周期，使用不同的标记和清理策略

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1.3 分代 GC （Generational GC）

  • 分代假说（Generational hypothesis）：most objects die young
  • Intuition：很多对象在分配出来后很快就不再使用了
  • 每个对象都有年龄：经历过 GC 的次数
  • 目的：对年轻和老年的对象，制定不同的 GC 策略，降低整体内存管理的开销
  • 不同年龄的对象处于 heap 的不同区域 image.png
  • 年轻代（Young generation）
    • 常规的对象分配
    • 由于存活对象很少，可以采用 copying collection
    • GC 吞吐率很高
  • 老年代（Old generation）
    • 对象趋于一直活着，反复复制开销较大
    • 可以采用 mark-sweep collection

1.4 引用计数

  • 每个对象都有一个与之关联的引用数目
  • 对象存活的条件：当且仅当引用数大于 0
  • 优点
    • 内存管理的操作被平摊到程序执行过程中
    • 内存管理不需要了解 runtime 的实现细节：C++ 智能指针（smart pointer）
  • 缺点
    • 维护引用计数的开销较大：通过原子操作保证对引用计数操作的 原子性 和 可见性
    • 无法回收环形数据结构
    • 内存开销：每个对象都引入的额外内存空间存储引用数目
    • 回收内存时依然可能引发暂停

1.5 总结

  • 主要阐明了自动内存管理的目的，以及如何 GC 中的相关术语，如何从一些指标来评价 GC算法的好坏。最后介绍了一些常见的 GC 算法是如何追踪对象来进行垃圾回收的
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