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垃圾回收（Garbage Collection, GC）是自动管理内存的机制，旨在回收不再被程序使用的内存。以下是常见的垃圾回收机制分类及其原理：
1. 引用计数（Reference Counting）
- 原理：
每个对象维护一个引用计数器，记录指向它的引用数量。当计数器归零时立即回收内存。 - 优点：
- 实时性高（内存立即释放）。
- 无全局暂停（
Stop-The-World）。
- 缺点：
- 循环引用：若两个对象互相引用，计数器永不归零，导致内存泄漏。
- 频繁更新计数器影响性能。
- 应用场景：
- Python（结合分代式GC解决循环引用）。
- Objective-C（旧版本中的手动引用计数）。
2. 追踪式垃圾回收（Tracing GC）
通过遍历对象图标记存活对象，回收未被标记的内存。
(1) 标记-清除（Mark-Sweep）
- 步骤：
- 标记：从根对象（如全局变量、栈变量）出发，递归标记所有可达对象。
- 清除：遍历堆内存，回收未标记对象的内存。
- 优点：
- 简单易实现。
- 缺点：
- 内存碎片：回收后内存不连续，需额外整理。
- 全局暂停（标记阶段需冻结程序）。
- 应用场景：
- Lua、早期Java版本。
(2) 标记-整理（Mark-Compact）
- 步骤：
- 标记：同标记-清除。
- 整理：将存活对象移动到内存一端，消除碎片。
- 优点：
- 内存连续，避免碎片。
- 缺点：
- 整理阶段耗时较长。
- 应用场景：
- .NET CLR、Java G1 GC（部分阶段）。
(3) 复制算法（Copying GC）
- 原理：
将堆内存分为两部分（From 和 To），存活对象从 From 复制到 To 空间，然后清空 From。 - 优点：
- 无内存碎片，分配速度快（顺序分配）。
- 缺点：
- 内存利用率低（需预留一半空间）。
- 应用场景：
- Java 新生代（Young Generation）的 Survivor 区。
3. 分代式垃圾回收（Generational GC）
- 原理：
根据对象存活时间将堆分为新生代（Young Generation）和老年代（Old Generation）。- 新生代：频繁回收短期存活对象（使用复制算法）。
- 老年代：较少回收长期存活对象（使用标记-清除或标记-整理）。
- 依据：
- 弱分代假说（Weak Generational Hypothesis）：大部分对象很快死亡。
- 优点：
- 减少全局暂停时间，提升吞吐量。
- 应用场景：
- Java HotSpot VM、.NET CLR。
4. 增量式与并发式垃圾回收
- 增量式（Incremental GC）：
将回收过程分为多个小阶段，与程序交替执行，减少单次暂停时间。 - 并发式（Concurrent GC）：
垃圾回收线程与程序线程并发执行，仅在关键阶段短暂暂停程序。 - 应用场景：
- Go 的并发三色标记法。
- Java CMS（Concurrent Mark-Sweep）。
5. 三色标记法（Tri-color Marking）
- 原理：
用颜色标记对象状态：- 白色：未访问（待回收）。
- 灰色：已访问，但子对象未处理。
- 黑色：已访问且子对象已处理。
- 过程：
从灰色对象出发逐步标记，直至无灰色对象，回收白色内存。 - 优点：
- 支持并发标记（如Go的GC）。
6. 其他高级机制
- 区域式回收（Region-based GC）：
将堆划分为多个独立区域，仅回收特定区域（如G1 GC）。 - 逃逸分析（Escape Analysis）：
分析对象作用域，将未逃逸对象分配在栈上（如Java JIT优化）。
总结：对比与适用场景
| 机制 | 优点 | 缺点 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 引用计数 | 实时性高，无全局暂停 | 循环引用，性能开销 | 短期对象，无复杂引用结构 |
| 标记-清除 | 实现简单 | 内存碎片，全局暂停 | 内存敏感度低的场景 |
| 分代式GC | 高效回收短期对象 | 需维护分代结构 | 长期运行的服务端程序 |
| 并发/增量GC | 低延迟 | 实现复杂，CPU占用高 | 实时性要求高的系统 |
| 复制算法 | 无碎片，分配快 | 内存利用率低 | 新生代对象回收 |
主流语言的GC实现
- Java：分代式（新生代复制算法 + 老年代标记-整理），G1/ZGC/Shenandoah支持并发。
- Go：并发三色标记法，低延迟（STW < 1ms）。
- Python：引用计数 + 分代式GC辅助解决循环引用。
- JavaScript（V8）：分代式（新生代复制算法 + 老年代标记-清除/整理）。
通过结合多种机制，现代GC在吞吐量、延迟和内存开销之间取得平衡。