Lec 14垃圾回收 III（GC III）——分代与增量回收
Lec 14 垃圾回收 III（GC III）——分代与增量回收
接 L13。用分代回收降低回收成本、用增量回收降低停顿，并比较各方案、看实践
TL;DR
- 分代 GC 利用「大多数对象很快死亡」的弱分代假设，频繁回收小而多垃圾的新生代，少量处理老年代。
- 老年代到新生代的指针会破坏「只扫新生代」的完整性，需要用写屏障和记忆集记录跨代引用。
- 增量 GC 把长时间标记或搬迁拆成小步与程序交替执行，降低最长停顿，但需要维护更复杂的三色不变式和屏障。
1. GC 的五个权衡维度（汇总）
定义（评价 GC 的五维）
-
可达性 (Reachability)：精确还是近似（处理环否）；
-
运行期开销 (Runtime overhead)：GC 给正常执行增加的成本；
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空间效率 (Space efficiency)：需要多少额外空间；
-
回收效率 (Reclamation efficiency)：回收每个对象多贵 / 多快；
-
GC 延迟 (Latency)：能否避免长停顿。 :::
三种基础方案对照：
| 方案 | 可达性 | 运行期开销 | 空间 | 回收效率 | 延迟 |
|---|---|---|---|---|---|
| 引用计数 | 近似（漏环） | 每次指针更新都有开销 | 每对象一个计数 | 计数归零即刻回收 | 无停顿 |
| 标记-清扫 | 精确 | 仅分配时（加入链表） | 标记位 + next 指针 | 单对象低，但需扫遍全部已分配对象 | 可能长停顿 |
| 复制式 | 精确（配合标记） | 仅分配时；分配极快（指针碰撞），压紧改善局部性 | 标记位；但相当于砍半可用空间 | 批量删除；但复制对象可能贵（复制可与标记融合，免重扫） | 可能长停顿 |
2. 分代回收（Generational Collectors）
洞察（弱分代假设）：多数应用有大量极短命对象与少量极长寿对象。据此把堆按"代 (generation)"分区：
-
新生代 (young heap)：存短命对象，频繁回收，保持较小；
-
老年代 (old heap)：在新生代中历经多轮 GC 仍存活的对象被晋升至此，很少回收。
（可有多于两代。）
为何高效：新生代小，回收快；绝大多数短命对象（如小函数的栈帧、算术中间值）很快死亡、根本不必复制；老年代虽大但极少被遍历/复制。
2.1 关键问题：跨代指针（Cross-Generation Pointers）
定理（老→新指针必须纳入根集）
回收新生代时，我们不想遍历整个老年代（否则失去"小范围快回收"的意义）。但老年代对象可能指向新生代对象——这些从老年代指向新生代的指针，必须被当作根集的一部分，否则会漏标仍可达的新生代对象。
实现上用写屏障 (write barrier) 记录这类跨代指针（见下节，亦称 remembered set）。完整回收 (full collection) 时则像一次（带额外步骤的）标记-清扫，遍历整堆。
定理（分代回收的权衡）
-
可达性：完整回收精确；仅新生代回收不精确（依赖跨代指针记录）。
-
运行期开销：需检查是否创建了"指入新生代"的指针；比引用计数略好（只需查指针、不必读旧被指对象）。
-
空间效率：可用整个堆，开销主要是根集/记录集；若不触发完整回收，可能残留少量垃圾。
-
回收效率：新生代回收比纯复制式更高效（复制更少）；完整回收类似标记-清扫，但理想情况下不必常做。
-
延迟：新生代回收远好于整堆复制；完整扫描仍是 mark-and-sweep 级别。 :::
3. 增量回收（Incremental Collection）——降低延迟
为避免 GC 的长停顿，把 GC 的执行与变更器 (mutator，即用户程序) 的执行交错 (interleave) 进行。
3.1 三色（对象阶段）
定义（对象的三个标记阶段，即三色标记）
-
unreached（白）：尚未被标记到达；
-
unscanned（灰）：已到达，但其引用尚未全部跟随完；
-
scanned（黑）：已处理完毕。
若 mutator 要与回收交错运行，它必须感知所修改对象的当前阶段。
3.2 危险情形与写屏障
例题（增量回收的漏标 bug）
GC 标记进行到一半时，mutator 插一脚：
1) 把一个指针从【scanned(黑)】对象 → 【unreached(白)】对象（新建）；
2) 同时删除【unscanned(灰)】对象到该白对象的原有指针。结果：GC 以为黑对象已扫完（不会再看它的新指针），而通往白对象的唯一灰路径又被删了 → GC 认为全部扫描完毕，但其实有个可达对象被漏标 → 被错误回收（悬垂指针！）。
定理（写屏障 Write Barrier）
解法：给 mutator 装一个写屏障——在每次写指针时运行的检查。当检测到"从 scanned 对象指向 unscanned/unreached 对象"的新引用时，把被指对象加入待扫描列表。代价：增加运行期开销，换取更低的 GC 延迟。
4. 完整的权衡视角与实践
定义（各技术对应的改进维度）
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完整性（环）：引用计数 vs. 标记（标记处理环）；
-
空间效率：减少/消除"已分配对象链表"（侵入式头部、复制式）；
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回收效率：分代回收把搜索大多限制在小空间；
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延迟：分代（多数时间只扫小空间）+ 增量（把开销分散到整个运行期）。 :::
::: definition 定义（GC 在实践中）
-
C++：通过
shared_ptr库（引用计数）。 -
Objective-C / Swift：引用计数（ARC）。
-
Python：引用计数 + 可选的分代回收器（处理环）。
-
Java 11：多种分代回收器——Serial（单线程）、Parallel/吞吐量（多线程加速）、CMS 与 G1（大多并发，与应用并行做昂贵工作）。
延伸阅读：Jones & Lins《Garbage Collection》；Jones, Hosking, Moss《The Garbage Collection Handbook》。
5. 本讲小结
- 评价 GC 看五维：可达性精确性、运行期开销、空间、回收效率、延迟；引用计数/标记-清扫/复制式各有取舍。
- 分代回收基于"多数对象短命"：新生代小而频繁回收、老年代大而少回收，存活者晋升；新生代回收须把老→新指针纳入根集（写屏障记录）。
- 增量回收交错 GC 与 mutator 以降延迟；三色（unreached/unscanned/scanned）；mutator 可能"黑→白 + 删灰路径"造成漏标，用写屏障把新指针的被指对象补入待扫描列表。
- 实践：C++ shared_ptr、Swift 引用计数、Python 引用计数 + 分代、Java 多种分代/并发回收器。
- 至此 Phase 3（GC）完结；下一单元进入底层虚拟机与代码生成（L15 起）。