Java和Go的内存管理学习

Java和Go都是通过GC来实现自动内存管理，提高了编码效率和安全性。通过学习自动内存管理，有助于深入理解Java和Go在某些场景下的性能瓶颈。

GC相关概念

从图中可以看出，业务线程申请对象，而GC线程回收未被使用的对象。

根据场景不同，GC分为三种：

1. Series GC：单线程GC，并且会造成停顿

2. Parallel GC：多线程GC，依然会造成停顿

3. Concurrent GC：混合并发GC，不会造成停顿

GC策略

为了提高内存利用率，GC 会整理内存，使存活对象集中排列，空闲内存形成一个大块。这种整理可以：

• 提高内存分配效率。

• 避免分配大对象时反复尝试。

• 减少碎片导致的性能问题。

当某个对象被确认为垃圾对象时，GC也会有几种不同的清理策略：

1. Copying GC：将存活对象复制到另外的内存空间（额外的空间）

   

   存活对象的原来存储空间就可以用来分配其他对象。当只有少量存活对象（比如新生代对象就只有少量存活），移动到额外空间效率很高，此时原来剩下的空间就是完整可分配的大块内存。当有大量存活对象（如老年代的对象存活时间很久），此时移动大量对象到新空间就很耗时。

2. Mark-sweep GC: 将死亡对象的内存标记为可分配

   

   将死亡对象的存储空间使用free list链表存储起来，当下次需要分配对象的时候就从free list中找空间。但是，Mark-Sweep算法的缺点只标记和清除对象，而没有整理内存，内存碎片的问题是依旧存在的，可能无法为大型对象分配内存。

3. Mark-compact GC：移动并整理存活对象

   

   将存活对象原地整理，移动到最开始的位置，也就是整理和压缩存活对象（不使用额外内存，没有多余空间，和Copying GC最大的差别） ， 那么黑色块后面的大块空间就能继续分配其他对象。老年代的移动采用的便是这种方式，移动的时间停顿是无法避免的，但是能避免额外的内存空间占用。

引用计数

我们知道死亡对象的三种不同GC策略，但是还没有学习如何判断一个死亡对象。常见的方法即引用计数，当一个对象没有任何引用指向它，就意味着它被抛弃了，可以判定为一个死亡对象。当然，引用计数并不是万能的，也有很多的缺点。

• 优点：

  • 简单便捷：从编程的角度，引用计数对程序员天然透明，开发更加便捷，减少了心智负担

• 缺点：

  • 引用计数本身是通过原子操作来实现原子性和可见性 ，天然降低了性能。并发环境中，多个线程都会操作同一个对象，线程不安全都得都懂；

  • 无法处理环形结构，也就是循环应用；

    

    比如图中的红色对象形成了一个环形结构，环形里的对象已经不可达，完全应该回收掉，但是基于引用计数难以实现。

    当然，不同语言中有应对策略，比如C++中采用weak_ptr来解决。

  • 内存开销。每个对象都需要额外维护一个存储空间来存储引用数目

Java内存管理技术

Java的内存管理技术经过多代的发展，相对比较成熟。

分代回收法

基于“大部分对象存活时间都很短，少部分对象是长寿的，应该采用不同的清理策略”的假设。比如函数中生成的对象，函数执行时间很短，那么对象在生成之后也立刻被抛弃，这是短寿对象。

• 年轻代的GC策略

  • 存活数量很少，所以适合采用Copying GC，全部都挪到一个固定区域

• 老年代的GC策略

  • 对象趋向于一直活着，反复复制的开销很大，适合mark-sweep GC。通过free list把死亡对象串起来，下次要分配对象就从free list中取空间

Golang内存管理技术

三色标记法

Golang采用三色标记法来追踪死亡对象，具体过程如下：

1. 假设所有的对象都是未使用的，是可以回收的，全部标记为白色

2. 找到某个正在被引用的对象，以此查找这个对象引用的其他对象，并标记为灰色，然后将自己改成黑色

3. 黑色代表已经被检查，不能回收的对象，白色表示可以回收的对象，清理掉全部的白色对象