垃圾回收系列(3)：CLR与JVM垃圾回收器的比较

垃圾回收系列（3）：CLR与JVM垃圾回收器的比较
发布者：TerryLee | 分类：.NET框架 | Java技术 | 计算机科学
本文为垃圾回收讲座的第三篇，在前面两篇（一、二）文章里介绍了手工管理内存带来的一些问题，以及一些经典的GC算法。

本文我们主要关注微软的CLR与JVM垃圾回收器方面的比较。

我们知道CLR和JVM都采用了分代式垃圾回收器，而分代式垃圾回收器则基于以下几点假设：
1. 对象越新，其生存期就越短
2. 对象越老，其生存期就越长
3. 对堆的一部分执行GC比对整个堆执行GC要快
CLR和JVM尽管都采用了分代式垃圾回收器，但是它们在很多处理方面都有些不同：分代机制，大对象堆，回收模式，回收算法，寻找存活对象效率等。

分代机制
在CLR中，对象按年龄可以分为三代：第0代、第1代、第2代，如下图所示：
在这三代之间，对象代的提升过程，大家可以参考《CLR via C#》，里面有比较详细的介绍。

JVM中对于对象的分代式新生代和旧生代：
回收模式
在CLR4.0之前，提供三种不同的垃圾回收模式：工作站并发GC、工作站非并发GC以及服务器GC，如下图所示：
工作站非并发GC模式，没有专门的GC线程，而是由工作线程负责回收，在回收过程中，需要暂时挂起应用程序，回收结束后应用程序继续运行，所以在回收过程中会有应用程序暂停现象：
工作站并发GC模式，为了解决在执行垃圾回收时引起的应用程序暂停问题，会有一个专门的GC线程负责垃圾回收，大多数时间垃圾回收都可以应用程序并发执行，但是仅仅是针对Full GC，而对于第0代、第1代对象，仍然会使用非并发模式执行，并发垃圾回收本质上牺牲了更多的CPU时间和内存来换取应用程序暂停时间的减小：
服务器GC模式运行在多CPU服务器上，如果在单CPU机器上配置了使用服务器GC，不会起任何作用，垃圾回收仍然会使用工作站非并发模式执行。

服务器GC模式为每个CPU分配一个专用的垃圾回收线程和一个托管堆，并且该垃圾回收线程具有较高的优先级，在执行垃圾回收期间，应用程序工作线程会暂时挂起：
CLR 4.0中提供了后台垃圾回收机制，用于取代并发GC。

JVM（以Hotspot为例）中使用的垃圾回收更为复杂，针对新生代、旧生代在工作站和服务器上，分别使用不同的垃圾回收模式，如下图所示：
在Client端默认的方式为串行GC，而在服务端，对于新生代和旧生代默认的方式分别为：并行回收GC和并行GC：
下图体现了默认串行GC与并行GC之前的区别，并行GC会把堆分成多个区，分区进行标记和回收，但这两种方式都会引起应用程序的暂停：
下图体现了默认的标记缩并回收与并发GC，在并发GC中，标记的总共分为三个阶段，分别为：Initial Mark、Concurrent Marking和Remark，只有在Initial Mark和Remark阶段才会引起应用程序暂停，而在Concurrent Marking和清除阶段都是与应用程序并发执行，并不会引起暂停：
回收算法
在CLR中有专门的大对象堆（LOH），超过85000字节的对象将会分配在LOH上面，只有在进行第2代对象垃圾回收时才会同时对LOH进行回收，即一次Full GC。

第0代、第1代、第2代对象所在的堆称之为小对象堆（SOH）。

在CLR中，对于小对象堆SOH，采用的回收算法为标记-缩并算法，由于移动大对象比较耗费时间，所以在LOH上，CLR采用了标记-清除算法，即只做对象的清除并不对大对象堆进行压缩。

在JVM中，对于新生代对象采用节点复制算法进行回收，这也是为什么我们在上面的图中，新生代对象堆分为S0和S1的原因，有时也称之为为From和To；对于旧生代对象根据不同的回收模式，采用不同的回收算法：
串行GC：标记-缩并算法（滑动缩并）
并行GC：标记-缩并算法
并发GC：标记-清除算法
提高查找存活对象的效率
现在考虑这样一个问题，只对第0代（或者新生代）对象做回收，在查找存活对象过程中（不关是标记-缩并还是节点复制算法），从根集合开始，如果发现有一个根对象指向了第1代、第2代（或者旧生代），为了提高效率，垃圾回收器将会立即终止这条线上的查找：
这样带来的一个问题是:如果在第0代（或者新生代）分配的对象X，没有根对象指向它，但有一个第1代或者第2代（旧生代）的对象，指向了该新创建的对象：
此时虽然没有根对象可以到达新创建的对象X，但由于有其他代的对象指向它，所以它仍然不能当做垃圾回收，为了解决这个问题，人们提出了各种解决方案，常见的有：
1. 记忆集
2. 硬件标记
3. 虚拟页面标记
4. 字标记
5. 卡标记
由于硬件标记需要特定的硬件平台来支持，所以不具有可移植性，现在更多的垃圾回收器都使用了软件解决方案，在CLR和JVM上都使用了卡标记技术，即把托管堆分成一个一个的卡片，这个卡片代表一个抽象的概念（卡片的大小可以等于一个字，也可以等于一个虚拟页面）。

如果有卡片上的对象发生了变化，则在Card Table中做一个标记，在查找存活对象时，除了要查找根对象之外，还有查找Card Table中标记的对象所引用的对象：
在CLR和JVM上所使用的卡片大小也不相同，CLR为128字节一个卡片，而JVM上为512字节一个卡片。

在更新卡片过程中，它们都是按字节（Byte）进行更新而不是按位（Bit）进行更新。

总结
虽然CLR和JVM都采用了分代式垃圾回收器，但是它们在很多处理上都有区别，不管怎样，分代式垃圾回收器的一个原则就是把对象分成不同的区（按年龄也好、按对象大小也好），以便在不同的分区上采用不同的回收算法和模式。

本系列前两篇文章链接：。