垃圾回收与内存管理

内存管理控制程序如何分配和回收内存；垃圾回收通过识别和释放不再可达的对象来自动化回收过程。

Definition

内存管理是程序内存的分配和回收；垃圾回收是一种自动回收机制，它释放程序不再可达的对象所占用的内存，从而使程序员免于显式解除分配。

Scope

本主题涵盖语言运行时的自动和手动内存管理：引用计数、标记-清除、复制和分代收集；可达性跟踪；以及吞吐量、暂停时间和内存开销之间的权衡。它讨论了并发和增量收集器以及收集策略与语言设计之间的关系。

Core questions

• 收集器如何确定哪些对象仍然需要？
• 吞吐量、延迟和内存占用之间有哪些权衡？
• 为什么按年龄分离对象（分代收集）能提高效率？
• 收集如何避免交互式或实时系统中的长时间暂停？

Key theories

追踪式垃圾回收

麦卡锡为Lisp引入了自动垃圾回收，确立了通过追踪哪些对象从程序根部仍然可达来回收内存的理念。

分代收集

Lieberman和Hewitt观察到大多数对象生命周期短暂，并提出更频繁地收集年轻代，这在实践中大大降低了收集成本（分代假说）。

收集技术分类

Wilson和《垃圾回收手册》组织了引用计数、标记-清除、复制、增量和并发收集器及其性能权衡的设计空间。

Clinical relevance

自动内存管理消除了悬空指针和内存泄漏等一整类错误，这也是大多数高级语言依赖垃圾回收的原因。收集器的选择强烈影响应用程序的延迟和吞吐量，特别是对于交互式和服务器系统。

History

麦卡锡于1960年将垃圾回收引入Lisp。随后出现了复制收集（Cheney）和引用计数，Lieberman和Hewitt在1983年提出的分代收集器利用了对象的生命周期。随后的几十年产生了增量、并发和基于区域的收集器，这些在Wilson 1992年的著作和2011年的《垃圾回收手册》中得到了全面综述。

Debates

自动收集与手动或基于所有权的内存管理

设计者们就垃圾回收（安全方便但可能带来暂停和开销）与手动或基于所有权的内存管理（以程序员负担和风险为代价提供可预测的性能和更低的占用）展开辩论。

Key figures

• John McCarthy
• Henry Lieberman
• Carl Hewitt
• Richard Jones
• Paul Wilson

Seminal works

• mccarthy1960
• lieberman1983
• wilson1992
• jones2011

Frequently asked questions

垃圾收集器如何知道要释放哪些对象？

追踪式收集器从已知的根（例如栈变量和全局变量）开始，并沿着引用标记所有可达对象；任何未被触及的对象都是不可达的，可以被回收。

为什么分代垃圾回收有效？

因为大多数对象在分配后不久就变得不可达，频繁收集年轻代可以廉价地回收大部分垃圾，而较旧的、生命周期长的对象则很少被扫描。