本文主要是对常用的GC算法（引用计数法、标记-清除法、复制算法、标记-清除算法）作出相关的说明，并对相关知识做简单的介绍。

一、什么是堆？

       堆指用于动态（即执行程序时）存放对象的内存空间。而这个对象，在面向对象的编程中，它指“具有属性和行为的事物”，然而在GC的世界中，对象表示的是“通过应用程序利用的数据的集合”。具体到Java堆，它是所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。（此处的对象实例可以理解为前面所说的对象，因为不仅仅Java有自动的GC，python、JavaScript等语言也有，所以在广义上说对象是更好的表述，当然，Java的数组也是分配在堆上的）。

二、GC算法的评判标准

      GC算法的评判标准主要是以下4点：

1、吞吐量：即单位时间内的处理能力。

2、最大暂停时间：因执行GC而暂停执行程序所需的时间。

3、堆的使用效率：鱼与熊掌不可兼得，堆使用效率和吞吐量、最大暂停时间是不可能同时满足的。即可用的堆越大，GC运行越快；相反，想要利用有限的堆，GC花费的时间就越长。

4、访问的局部性：在存储器的层级构造中，我们知道越是高速存取的存储器容量会越小（具体可以参看我写的存储器那篇文章）。由于程序的局部性原理，将经常用到的数据放在堆中较近的位置，可以提高程序的运行效率。

三、可达性

       所谓的可达性就是通过一系列称为“GC Roots”的对象为起点，从这些节点开始向下搜索，搜索走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连（用图论的话来说，就是GC Roots到这个对象不可达）时，则说明此对象是不可用的。如下图所示，ABC可达，DE不可达。

那么那些对象可以作为GC Roots呢？以Java为例，有以下几种：

1、栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象。

2、方法区中的静态成员。

3、方法区中的常量引用的对象（全局变量）。

4、本地方法栈中JNI（一般说的Native方法）引用的对象。

注：第一和第四种都是指的方法的本地变量表，第二种表达的意思比较清晰，第三种主要指的是声明为final的常量值。

四、引用计数法

1、什么是引用计数法？

        所谓的引用计数法就是给每个对象一个引用计数器，每当有一个地方引用它时，计数器就会加1；当引用失效时，计数器的值就会减1；任何时刻计数器的值为0的对象就是不可能再被使用的。

       这个引用计数法时没有被Java所使用的，但是python有使用到它。而且最原始的引用计数法没有用到GC Roots。

2、优点

<1>可即时回收垃圾：在该方法中，每个对象始终知道自己是否有被引用，当被引用的数值为0时，对象马上可以把自己当作空闲空间链接到空闲链表。

<2>最大暂停时间短。

<3>没有必要沿着指针查找

3、缺点

<1>计数器值的增减处理非常繁重

<2>计算器需要占用很多位。

<3>实现繁琐。

<4>循环引用无法回收。

五、标记-清除算法

1、什么是标记-清除算法？

       该算法分为标记和清除两个阶段。标记就是把所有活动对象都做上标记的阶段；清除就是将没有做上标记的对象进行回收的阶段。如下图所示。

1. 优点

<1>实现简单

<2>与保守式GC算法兼容（保守式GC在后面介绍）

3、缺点

<1>碎片化：如上图所示，在回收的过程中会产生被细化的分块，到后面，即使堆中分块的总大小够用，但是却因为分块太小而不能执行分配。

<2>分配速度：因为分块不是连续的，因此每次分块都要遍历空闲链表，找到足够大的分块，从而造成时间的浪费。

<3>与写时复制技术不兼容：所谓写时复制就是fork的时候，内存空间只引用而不复制，只有当该进程的数据发生变化时，才会将数据复制到该进程的内存空间。这样，当两个进程中的内存数据相同的时候，就能节约大量的内存空间了。而对于标记-清除算法，它的每个对象都有一个标志位来表示它是否被标记，在每一次运行标记-清除算法的时候，被引用的对象都会进行标记操作，这个仅仅标记位的改变，也会变成对象数据的改变，从而引发写时复制的复制过程，与写时复制的初衷就背道而驰了。

六、复制算法

1、什么是复制算法？

       复制算法就是将内存空间按容量分成两块。当这一块内存用完的时候，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后把已经使用过的这一块一次清理掉。这样使得每次都是对半块内存进行内存回收。内存分配时就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶的指针，按顺序分配内存即可，实现简单，运行高效。

1. 优点

<1>优秀的吞吐量。

<2>可实现高速分配：复制算法不用使用空闲链表。这是因为分块是连续的内存空间，因此，调用这个分块的大小，只需要这个分块大小不小于所申请的大小，移动指针进行分配即可。

<3>不会发生碎片化。

<4>与缓存兼容。

3、缺点

<1>堆的使用效率低下。

<2>不兼容保守式GC算法。

<3>递归调用函数。

七、标记-压缩算法

1、什么是标记-压缩算法？

       标记-压缩算法与标记-清理算法类似，只是后续步骤是让所有存活的对象移动到一端，然后直接清除掉端边界以外的内存。

1. 优缺点

该算法可以有效的利用堆，但是压缩需要花比较多的时间成本。

八、保守式GC与准确式GC

1、保守式GC

        所谓保守式GC就是“不能识别指针和非指针的GC”。

       对于寄存器、调用栈、全局变量空间来说，都是不明确的根。例如调用栈中，装着函数内的局部变量和参数值。而局部变量，如C语言中的int、double这样就是非指针，但是也会有像void*这样的指针。

       那么保守式GC会怎么检查不明确的根呢？1、是不是被正确对齐的值？（在32位CPU的情况下，为4的倍数）2、是不是指着堆内？3、是不是指向对象的开头？当然，这些只是基本的检查项目。

       上面的检查方法会将一些非指针识别成指针。例如一个数值和一个地址，它们两个值相等，这个时候，那个值也可以被识别成指针。

       保守式GC的优点是语言处理程序不依赖与GC。缺点为识别指针和非指针需要付出成本、错误识别指针会压迫堆、能够使用的GC算法有限。例如GC复制算法就不能使用，因为其可能会将非指针重写。

2、准确式GC

       准确式GC能够正确识别指针和非指针的GC。正确的根的创建方法是依赖于语言处理程序的实现的。我们可以通过打标签、不把寄存器和栈等当作根的方法来实现。

       其优点就是完全能够识别指针，能够使用复制算法等需要移动对象的算法。但是在创建准确式GC时，语言处理程序必须对GC进行一些支援，而且创建正确的根就必须付出一定的代价。

      其实我们垃圾回收机的实现都不是仅仅用哪一种回收算法，都是将几个结合使用，特别是分代算法，后面我们会详细的介绍。

参考文献

《深入理解Java虚拟机》

《垃圾回收的算法与实现》

https://www.zhihu.com/question/60103311