这是我参与「第五届青训营」伴学笔记创作活动的第 4 天

零、序言

本文记录和整理了本人在字节青训营中学习的一些所得所想，用于本人回顾和梳理相关知识点，也欢迎大家参考，一同学习。如果发现有问题或者错误，可以在下方留言或者私信我（＾-＾）

一、自动内存管理

基本概念

自动内存管理：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。需要保证内存使用的正确性和安全性（double-free problem, use-after-free problem）。

GC 的三个任务

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

GC 相关的线程

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

GC 模型

Serial GC: 只有一个 collector

Parallel GC: 并行 GC，支持多个 collectors 同时回收的 GC 算法

Concurrent GC: 并发 GC，支持 mutator(s) 和 collector(s) 同时执行的 GC 算法。

并发GC实现时存在难点，Collectors 必须感知对象指向关系的改变！

如下图，在GC过程中，Collector 会标记当前存活的对象，目前o、a都已经被标记了。但此时Mutator依然在执行，它新分配了一个对象b，那么Collector也应该标记对象b。如果没有标记上，那对象b就视为死亡对象了，明显不符合GC算法的基本要求——不回收存活的对象。

GC 算法评价指标

安全性（Safety）：不能回收存活的对象 基本要求
吞吐率（Througput）：花在GC上的时间
暂停时间（Pause time）：Stop the World （STW）serial GC和parrelGC都存在暂停时间，业务是否感知
内存开销（Space overhead）：GC会开辟一些内存空间来协作完成GC操作，GC元数据开销

相关技术

常见的两种垃圾回收相关技术

追踪垃圾回收（Tracing garbage collection）
引用计数（Refence counting）

追踪垃圾回收

Tracing garbage collection: 追踪垃圾回收，用于回收不可达对象。

追踪垃圾回收过程如下：

标记根对象（GC roots）：静态变量、全局变量、常量、线程栈等
标记：找到所有可达对象，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：回收所有不可达对象占据的内存空间

垃圾回收策略：根据对象的生命周期，使用不同的标记和清理策略。

GC算法

Copying GC（复制）: 将存活对象从一块内存空间复制到另外一块内存空间，原先的空间可以直接进行对象分配

Mark-sweep GC（标记-清除）: 将死亡对象所在内存块标记为可分配，使用 free list 管理可分配的空间

Mark-compact GC（标记-整理）: 将存活对象复制到同一块内存区域的开头，原地整理对象

Generational GC（分代）：分代 GC 假定每个对象都有年龄，即经历过GC的次数。不同年龄的对象处于heap的不同区域。针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。分代假说，most objects die young，很多对象在分配出来后就不在使用了。

Young generation: 年轻代

常规的对象分配
由于存活对象很少，可以采用 copy collection
好处：GC 吞吐率很高

Old generation: 老年代

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运行中：指针传递的过程中进行引用计数的增减。
不需要了解 runtime 的细节：因为不需要标记 GC roots，因此不需要知道哪里是全局变量、线程栈等。

缺点

开销大，因为对象可能会被多线程访问，对引用计数的修改需要原子操作保证原子性和可见性。
无法回收环形数据结构——解决方法：weak reference。
内存开销：每个对象都引入额外存储空间存储引用计数。
虽然引用计数的操作被平摊到程序运行过程中，但是回收大的数据结构依然可能引发暂停。

引用参考

推荐书籍《The GARBAGE CONLLECTION HANDBOOK》

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