垃圾回收机制

一、什么是垃圾回收

在计算机程序运行过程中，我们的程序会不断地申请内存、使用内存和释放内存，但有些时候，我们无法确定什么时候释放内存，导致内存泄露问题。为了解决这一问题，垃圾回收机制应运而生。

垃圾回收机制是一种自动化管理内存的机制，其主要作用是通过监控内存的使用情况、识别不再使用的内存和释放内存，使我们的程序更加高效和可靠。

二、常见的垃圾回收算法

垃圾回收算法是垃圾回收机制的核心。常见的垃圾回收算法有三种：

1.引用计数算法

引用计数算法是一种最简单的垃圾回收算法，其原理是通过维护每个对象的引用计数，当对象引用计数为零时，就将其释放。

class Object {
public:
    Object() : mRefCount(0) {}
    virtual ~Object() {}
    
    void addRef() {
        mRefCount++;
    }
    
    void release() {
        mRefCount--;
        if (mRefCount <= 0) {
            delete this;
        }
    }

private:
    int mRefCount;
};

引用计数算法的优点是实现简单、实时回收；但其缺点是不能解决循环引用的问题，且增加引用计数和减少引用计数会增加额外的开销。

2.标记清除算法

标记清除算法是一种基于“可达性分析”（Reachability Analysis）的垃圾回收算法。其流程如下：

从根节点开始遍历所有对象，标记所有可达对象（即不能被回收的对象），未标记的对象即为可回收对象，进行清除。如果对象存在循环引用，则标记算法无法识别出可回收对象，即存在内存泄露问题。

void mark(Object* object) {
    if (!object || object->mMarked) {
        return;
    }
    object->mMarked = true;
    for (auto it = object->mReferences.begin(); it != object->mReferences.end(); ++it) {
        mark(*it);
    }
}

void sweep() {
    for (auto it = Object::sObjects.begin(); it != Object::sObjects.end(); ++it) {
        if (!(*it)->mMarked) {
            delete *it;
            *it = nullptr;
        } else {
            (*it)->mMarked = false;
        }
    }
}

void gc() {
    for (auto it = Object::sRoots.begin(); it != Object::sRoots.end(); ++it) {
        mark(*it);
    }
    sweep();
}

3.复制算法

复制算法是一种基于“分代假设”（Generational Hypothesis）的垃圾回收算法。其流程如下：

将内存分为两个区域，一个为“From Space”，一个为“To Space”。程序在From Space分配内存，并在使用完之后，将不再使用的对象拷贝到To Space。当To Space已经存储了足够多的对象时，执行“数代推进”（generational promotion），即将To Space中的所有对象移动到From Space中。该算法能够解决循环引用的问题，效率也相对较高，但同时需要使用更多的内存。

void gc() {
    Object* fromSpace = currentHeap->getFromSpace();
    Object* toSpace = currentHeap->getToSpace();
    Object* p = nullptr;
    for (auto it = Object::sRoots.begin(); it != Object::sRoots.end(); ++it) {
        copy(&p, (*it));
        *it = p;
    }
    while (fromSpace < currentHeap->getAllocPtr()) {
        Object* object = reinterpret_cast<Object*>(fromSpace);
        fromSpace += object->getSize();
        copy(&p, object);
        object = p;
    }
    std::swap(fromSpace, toSpace);
    currentHeap->setAllocPtr(fromSpace);
}

三、如何选择合适的垃圾回收算法

不同的垃圾回收算法适用于不同的场景。我们需要根据自己的需求来选择合适的算法。

引用计数算法适用于单线程环境下的小对象，但不能解决循环引用的问题；标记清除算法适用于多线程环境下和连续分配内存的场景下，但容易出现内存碎片问题；复制算法适用于多线程环境下和存在大量不活跃（常驻内存中）对象的场景下，在其他场景下可能会浪费内存。

四、垃圾回收相关的实践

垃圾回收机制在现代编程语言中得到了广泛的应用。例如，Java和C#都采用了垃圾回收机制，Python、Ruby等脚本语言也采用了此类机制。下面是一个基于C++11的垃圾回收框架：

#include <iostream>
#include <list>

class Object {
public:
    static std::list<Object*> sObjects;
    static std::list<Object*> sRoots;
    
    Object() {
        sObjects.push_back(this);
    }
    
    virtual ~Object() {}
    
    void* operator new(size_t size) {
        void* p = malloc(size);
        currentHeap->setAllocPtr(static_cast<char*>(p) + size);
        return p;
    }

    void* operator new[](size_t size) {
        void* p = malloc(size);
        currentHeap->setAllocPtr(static_cast<char*>(p) + size);
        return p;
    }

    void operator delete(void* p) {
        if (!currentHeap->contains(p)) {
            free(p);
        }
    }

    void operator delete[](void* p) {
        if (!currentHeap->contains(p)) {
            free(p);
        }
    }

    virtual int getSize() = 0;

    static void setHeap(void* start, void* end) {
        currentHeap = new Heap(start, end);
    }

private:
    static class Heap* currentHeap;
};

std::list<Object*> Object::sObjects;
std::list<Object*> Object::sRoots;
class Heap* Object::currentHeap = nullptr;

class Heap {
public:
    Heap(void* start, void* end) : mStart(start), mEnd(end), mAllocPtr(start) {}

    bool contains(void* p) {
        return p >= mStart && p < mEnd;
    }

    void setAllocPtr(void* p) {
        mAllocPtr = static_cast<char*>(p);
        if (mAllocPtr > mEnd - highWaterMark) {
            gc();
        }
    }

    void* getAllocPtr() const {
        return mAllocPtr;
    }

    Object* getFromSpace() {
        return reinterpret_cast<Object*>(mStart);
    }

    Object* getToSpace() {
        return reinterpret_cast<Object*>(mEnd - highWaterMark);
    }

private:
    void gc() {
        std::cout << "Start GC...\n";
        Object** oldRoots = new Object*[Object::sRoots.size()];
        int pos = 0;
        for (auto it = Object::sRoots.begin(); it != Object::sRoots.end(); ++it) {
            oldRoots[pos++] = *it;
        }
        for (int i = 0; i < pos; ++i) {
            mark(oldRoots[i]);
        }
        sweep();
        currentHeap->setAllocPtr(currentHeap->getToSpace());
        delete[] oldRoots;
        std::cout << "End GC...\n";
    }

    void mark(Object* obj) {
        if (!obj || obj->mMarked) {
            return;
        }
        obj->mMarked = true;
        for (auto it = obj->mReferences.begin(); it != obj->mReferences.end(); ++it) {
            mark(*it);
        }
    }

    void sweep() {
        for (auto it = Object::sObjects.begin(); it != Object::sObjects.end(); ) {
            if (!(*it)->mMarked) {
                delete *it;
                *it = nullptr;
                it = Object::sObjects.erase(it);
            } else {
                (*it)->mMarked = false;
                ++it;
            }
        }
    }

    void* mStart;
    void* mEnd;
    void* mAllocPtr;
    static const int highWaterMark = 2048;
};

class String : public Object {
public:
    static String* create(const char* str) {
        String* p = new String();
        p->mLength = strlen(str);
        p->mData = new char[p->mLength + 1];
        strncpy(p->mData, str, p->mLength + 1);
        return p;
    }

    ~String() {
        delete[] mData;
    }

    int getSize() override {
        return sizeof(String) + mLength + 1;
    }

    void addRef() {
        Object::addRef();
        std::cout << "Add reference...refCount=" << mRefCount << "\n";
    }

    void release() {
        Object::release();
        std::cout << "Release reference...refCount=" << mRefCount << "\n";
    }

private:
    String() : mData(nullptr), mLength(0) {
        Object::sRoots.push_back(this);
    }

    char* mData;
    int mLength;
};

int main() {
    Object::setHeap(malloc(1024), static_cast<char*>(malloc(1024)) + 1024);
    String* str1 = String::create("hello, world!");
    String* str2 = String::create("hello, AI!");
    str1->addRef();
    str1->addRef();
    str1->release();
    Object::sRoots.clear();
    Object::sRoots.push_back(str2);
    gc();
    free(Object::sObjects.front()); // free heap allocated by `malloc`
    Object::sObjects.pop_front();
    free(Object::sRoots.front()); // free heap allocated by `malloc`
    Object::sRoots.pop_front();
    free(Object::currentHeap);
    return 0;
}

该垃圾回收框架支持自动、实时、引用循环等情况下的内存回收。