这是我参与「第五届青训营 」伴学笔记创作活动的第 4 天.

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管理动态内存

• 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

1. 为新对象分配空间
2. 找到存活对象
3. 回收死亡对象的内存空间

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 collectors 同时回收的 GC 算法

• Concurrent GC: mutator(s) 和 collector(s) 可以同时执行

  • Collectors 必须感知对象指向关系的改变

• 评价GC算法

  • 安全性：不能回收存活的对象
  • 吞吐率： 1 - GC时间/程序执行总时间
  • 暂停时间： stop the world
  • 内存开销

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：从根对象出发，找到所有可达对象

• 清理：所有不可达对象

• 根据对象的生命周期，使用不同的标记和清理策略

  • Copying GC:将对象复制到另外的内存空间
  • Mark-sweep GC:将死亡对象的内存标记为“可分配“，使用free list 管理空闲内存
  • Compact GC:原地整理对象

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

• 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)

  • 对象趋向于一直活着，反复复制开销较大
  • 可以采用 mark-sweep collection

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 —— weak reference
  • 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