一个简单的Garbage Collector的实现

一个简单的Garbage Collector的实现

前言：　　

　　最近看了google的工程师写的一个非常简单的垃圾收集器，大概200多行C代码，感叹大牛总能够把复杂的东西通过很简单的语言和代码表达出来。为了增加自己的理解，决定把大牛的想法和代码分析一遍，与大家分享，顺便结合wikipedia，复习下GC的基本概念。

　　相信大家在写程序的过程中都遇到内存管理的问题，诸如malloc/delete、new/free等，C/C++需要程序员主动进行内存的释放，即垃圾内存的回收，而像Java就提供了GC机制来自动进行垃圾回收。

一、垃圾与垃圾回收

　　为什么需要进行垃圾回收呢？

　　垃圾回收就是要让程序员感觉有“无限”的内存供他一直allocate，事实上计算机不会有无限的内存，这就需要将一些垃圾内存进行自动回收，已使得在“任一时刻”都有内存可用。

　　这种自动回收机制除了解放了程序员外，对程序本身也有很多好处：

　　1、野指针问题。这在C/C++中很常见，某块内存区域已经被释放掉或被重新分配，而其引用(指针)变量依然在被使用，往往带来很多难以预料的错误。

　　2、内存泄漏。如果内存都有程序员来管理，若某块内存使用完了没有及时释放，很容易造成内存的泄漏。

　　3、还有一些其他的诸如重复释放问题，即内存区域已被释放或另作他用，程序员又手动再次free。

　　总之，GC机制解决了很多内存管理上的问题，很大程度上避免了人为产生的Bug。

　　当然，GC机制也在一些场合也有一些问题：

　　1、一个最大的问题就是，GC机制本身占用了系统资源，从而造成系统性能的下降。

　　2、GC机制中，什么时候进行垃圾回收是不确定的，也就是说某一时刻会造成系统性能下降，这在一些诸如实时系统中是无法容忍的。

　　什么是垃圾？

　　在计算机中，垃圾内存是指之前被分配过，但不再使用的内存。这里又有一个问题，如何知道某个内存区域不再被使用。如果程序中不再有这块内存的引用，显然就可以说明这块内存不再会被使用到了。为了更好的说明不再使用的内存，我们先定义什么是使用中的内存：

　　1、如果某个正在使用的变量引用了这块内存对象，说明这个对象正在使用；

　　2、如果某个正在使用的内存对象引用了这块内存对象，说明这个对象也是正在使用的。

　　[1、Any object that’s being referenced by a variable that’s still in scope is in use.

　　2、Any object that’s referenced by another object that’s in use is in use.]

例如：

1 class A{
2     B b;
3 ...
4 }
5 Class B{
6 ...
7 }
8
9 A a = new A();

　　只要a正在使用中，那么所指向的那块空间就正在使用中，又由于A中有b对象，那么b所指向的空间也正在使用中(这其实是一条递归的定义方式，或者说是传递闭包)。换句话说，任何一个对象，只要能通过程序中的某个变量访问到(reachable)，那么这个对象所占用的内存资源就是正在使用的，假设现在有一个对象之间的引用图，如果某块内存区域在这个图上是不可达的，那么这块内存区域就是不再使用的。

　　总结来说，一个对象如果能被访问到，即是正在使用的(in-use)，一般是下面两种情况：

　　对象可达性定义：

　　1、对象在调用栈中被引用(局部变量，参数等)，或者作为全局变量引用。

　　2、被1中的对象引用。

　　总结下，GC的过程就可以归结为，a、找到不再使用的对象；b、回收其占用的内存资源。

　　目前有很多方法来实现GC的这个过程。其中最简单的一种是Naïve mark-and-sweep。顾名思义，这种方法总共分为两步，对不再使用内存的标记和扫除。具体来说就是每个对象占用的内存都有一个标记。这个标记仅在GC执行时才会用到。在GC运行后，首先按照上述对对象可达性定义，将这个对象占用的内存的标记设为in-use状态(Mark)，然后扫描内存区域，那些拥有标记位，但是没有被置为in-use状态的，说明就是需要被回收的(Sweep)，整个过程结束后，再将所有的标记位重置，等待下一次回收过程。

三、自己动手实现一个简单的Garbage Collector

1、类型

　　为了简化，我们这里只讨论两种类型，一种是不含嵌套的，类似于int、char这样的类型，一种是含有嵌套的，类似于class这样的类型。对于第二种类型，作者采用的是Pair，即<A,B>，其中A、B也可以是Pair类型(当然也可以是第一种普通的类型)。对象的类型表示如下：

1 typedef enum {
2   OBJ_INT,
3   OBJ_PAIR
4 } ObjectType;

　　为了让不同类型的对象信息便于用一个统一的数据结构维护，我们又定义了Object类型，这个类型包含了具体的类型，和其所对应的值。

 1 typedef struct sObject {
 2   ObjectType type;
 3
 4   union {
 5     /* OBJ_INT */
 6     int value;
 7
 8     /* OBJ_PAIR */
 9     struct {
10       struct sObject* head;
11       struct sObject* tail;
12     };
13   };
14 } Object;

　　这里有一个trick(个人认为)，就是采用了union这样的结构，实现的内存的overlapping。另外，值得注意的是，这里展示了Pair这个数据结构的定义，如前所述，这是一个递归的定义。

2、虚拟机

　　前面已经提到，垃圾回收机制的实现，得益于其维护了一些中间信息，最最基本的中间信息便是a、程序总共分配了哪些内存构成的集合A；b、正在用的是哪些内存构成的集合B。有了这些信息，gc的过程就变得很简单，即sweep掉A-B的内存。

　　我们把这样的一个数据结构程序虚拟机，对于正在使用的对象集合，采用栈来维护(同样采用栈式结构的还有JVM)，对于程序总共分配的内存集合，采用链表来维护。由于采用了链表，原来的Object结构体需要加上next指针，更新后的Object结构体如下：

 1 typedef struct sObject {
 2   ObjectType type;
 3
 4   /* The next object in the linked list of heap allocated objects. */
 5   struct sObject* next;
 6
 7   union {
 8     /* OBJ_INT */
 9     int value;
10
11     /* OBJ_PAIR */
12     struct {
13       struct sObject* head;
14       struct sObject* tail;
15     };
16   };
17 } Object;

　　因此，虚拟机定义如下：

#define STACK_MAX 256

typedef struct {
  Object* stack[STACK_MAX];
  int stackSize;

  /* The first object in the linked list of all objects on the heap. */
  Object* firstObject;
} VM;

　　创建并初始化一个虚拟机的过程如下：

1 VM* newVM() {
2   VM* vm = malloc(sizeof(VM));
3   vm->stackSize = 0;
4   vm->firstObject = NULL;
5   return vm;
6 }

　　创建一个Object的过程如下：

1 Object* newObject(VM* vm, ObjectType type) {
2
3   Object* object = malloc(sizeof(Object));
4   object->type = type;
5   object->next = vm->firstObject;
6   vm->firstObject = object;
7
8   return object;
9 }

　　注意，这里创建一个Object仅是将其放到程序分配的内存集合，即链表中，还没有作为正在使用的对象加到栈中。

　　对于正在使用中的对象的维护，对应的push和pop函数如下：

 1 void push(VM* vm, Object* value) {
 2   assert(vm->stackSize < STACK_MAX, "Stack overflow!");
 3   vm->stack[vm->stackSize++] = value;
 4 }
 5
 6
 7 Object* pop(VM* vm) {
 8   assert(vm->stackSize > 0, "Stack underflow!");
 9   return vm->stack[--vm->stackSize];
10 }

　　对于不同的类型，根据上面实现的push函数，可以写出对应类型的push，如pushInt，具体如下：

 1 void pushInt(VM* vm, int intValue) {
 2   Object* object = newObject(vm, OBJ_INT);
 3   object->value = intValue;
 4
 5   push(vm, object);
 6 }
 7
 8 Object* pushPair(VM* vm) {
 9   Object* object = newObject(vm, OBJ_PAIR);
10   object->tail = pop(vm);
11   object->head = pop(vm);
12
13   push(vm, object);
14   return object;
15 }

　　这里的pushPair是先单独push两个object，然后再取出来，构建一个新的Pair类型的object，重新push。(个人没明白为什么要这么做，感觉没必要)。

　　到这里，我们已经拥有了程序运行时内存分配的信息，接下来就要开始进行mark-and-sweep了。

3、Mark

　　很显然，我们需要一个Flag标志来区分哪些是in-use，哪些不是。因此，需要在原来的Object结构体中加上这样的标志位，更新后的Object结构体如下：

 1 typedef struct sObject {
 2   ObjectType type;
 3   unsigned char marked;
 4
 5   /* The next object in the linked list of heap allocated objects. */
 6   struct sObject* next;
 7
 8   union {
 9     /* OBJ_INT */
10     int value;
11
12     /* OBJ_PAIR */
13     struct {
14       struct sObject* head;
15       struct sObject* tail;
16     };
17   };
18 } Object;

　　同时还需要更新的是，在newObject函数中对mark位进行初始化：

 1 Object* newObject(VM* vm, ObjectType type) {
 2
 3   Object* object = malloc(sizeof(Object));
 4   object->type = type;
 5   object->next = vm->firstObject;
 6   vm->firstObject = object;
 7   object->marked = 0;
 8
 9   return object;
10 }

　　有了这个标志位，我们就可以写mark函数了，mark过程有一个值得注意的就是，对于嵌套的数据结构，其内部子Object也需要进行mark，根据这样的原则，我们很容易写出如下代码：

1 void mark(Object* object) {
2   object->marked = 1;
3
4   if (object->type == OBJ_PAIR) {
5     mark(object->head);
6     mark(object->tail);
7   }
8 }

　　事实上这里有一个很明显的错误，即如果出现循环嵌套情况(A中有B，B中有A)，mark过程就会一直执行下去，因此，需要一个边界条件来结束递归。边界条件便是，如果已经标记过了，就返回，更新后的代码如下：

 1 void mark(Object* object) {
 2   /* If already marked, we're done. Check this first
 3      to avoid recursing on cycles in the object graph. */
 4   if (object->marked) return;
 5
 6   object->marked = 1;
 7
 8   if (object->type == OBJ_PAIR) {
 9     mark(object->head);
10     mark(object->tail);
11   }
12 }

　　对于栈中维护的object，可以用一个markAll来全部标记：

1 void markAll(VM* vm)
2 {
3   for (int i = 0; i < vm->stackSize; i++) {
4     mark(vm->stack[i]);
5   }
6 }

4、Sweep

　　Sweep过程很简单，遍历程序总共分配的对象链表，如果没有标记，就free掉这块内存，因为标记了的都是在栈中出现过的，如果标记过，就将其mark位复位，以备下次gc过程重新检查其是不是还在栈中，即是不是还需要标记。

 1 void sweep(VM* vm)
 2 {
 3   Object** object = &vm->firstObject;
 4   while (*object) {
 5     if (!(*object)->marked) {
 6       /* This object wasn't reached, so remove it from the list
 7          and free it. */
 8       Object* unreached = *object;
 9
10       *object = unreached->next;
11       free(unreached);
12     } else {
13       /* This object was reached, so unmark it (for the next GC)
14          and move on to the next. */
15       (*object)->marked = 0;
16       object = &(*object)->next;
17     }
18   }
19 }

　　执行完sweep过程后，我们就将所有unreasonable的内存全部回收！

　　因此，一个完整的gc函数如下：

1 void gc(VM* vm) {
2   markAll(vm);
3   sweep(vm);
4 }

　　你以为GC机制就这样完成了？其实还差那么一点，一个很重要的问题摆在我们面前，什么时候去调用这个gc函数？在GC的定义中，给出的是当low on memory的时候去调用，那low on memory又是一个什么概念？显然这又与具体的硬件配置有关。

5、gc的调用

　　为了简化问题，我们采用一种非常naive的方法来触发gc函数(既然是可以让我们自己动手实现的，当然是越简单越好喽~)，简单来说，就是设置一个对象数的上限，当超过这个上限时，就触发gc函数，这需要有虚拟机来维护。因此，我们在虚拟机里加入两个变量，一个是numObjects，表示当前分配的对象总数，另一个是maxObjects，表示上限。更新后的虚拟机如下：

 1 typedef struct {
 2   Object* stack[STACK_MAX];
 3   int stackSize;
 4
 5   /* The first object in the linked list of all objects on the heap. */
 6   Object* firstObject;
 7
 8   /* The total number of currently allocated objects. */
 9   int numObjects;
10
11   /* The number of objects required to trigger a GC. */
12   int maxObjects;
13 } VM;

　　那么在初始化VM时，就需要同时对这两个值也进行初始化：

1 VM* newVM() {
2   VM* vm = malloc(sizeof(VM));
3   vm->stackSize = 0;
4   vm->firstObject = NULL;
5   vm->numObjects = 0;
6   vm->maxObjects = INITIAL_GC_THRESHOLD;
7   return vm;
8 }

　　在创建一个对象时，就会判断下是否超过上限，如果超过，就执行gc函数，同时更新numObjects。更新后的newObject函数如下。

 1 Object* newObject(VM* vm, ObjectType type) {
 2   if (vm->numObjects == vm->maxObjects) gc(vm);
 3
 4   Object* object = malloc(sizeof(Object));
 5   object->type = type;
 6   object->next = vm->firstObject;
 7   vm->firstObject = object;
 8   object->marked = 0;
 9
10   vm->numObjects++;
11
12   return object;
13 }

　　对于先前的sweep函数，在释放掉一块unreasonable内存后，也要更新numObjects。更新后的sweep函数如下：

 1 void sweep(VM* vm)
 2 {
 3   Object** object = &vm->firstObject;
 4   while (*object) {
 5     if (!(*object)->marked) {
 6       /* This object wasn't reached, so remove it from the list and free it. */
 7       Object* unreached = *object;
 8
 9       *object = unreached->next;
10       free(unreached);
11
12       vm->numObjects--;
13     } else {
14       /* This object was reached, so unmark it (for the next GC) and move on to
15        the next. */
16       (*object)->marked = 0;
17       object = &(*object)->next;
18     }
19   }
20 }

　　那么，现在又有一个问题，上限值应该设为多少合适呢？不同的程序会有不同的内存要求，设置太大了，对于对内存消耗比较低的程序，可能就根本不会触发gc，设置过小了，对于内存消耗比较大程序就会频繁触发gc，导致性能下降。因此，上限值需要动态更新，这里更新的原则是，每次执行gc后，链表中没有被free掉的对象数的两倍。更新后的gc程序如下：

 1 void gc(VM* vm) {
 2   int numObjects = vm->numObjects;
 3
 4   markAll(vm);
 5   sweep(vm);
 6
 7   vm->maxObjects = vm->numObjects * 2;
 8
 9   printf("Collected %d objects, %d remaining.\n", numObjects - vm->numObjects,
10          vm->numObjects);
11 }

　　至此，一个简单的GC程序便实现了！(想想还真有点小激动呢~)

后记：

　　本文相当于一篇读后感吧，包括各种博客、代码等，一是为了梳理思路，了解相关知识（在这之前我还真没关注过GC的过程）；二是分享给那些跟我一样对GC不太明白甚至心生畏惧的同学，一个简单的GC就是这么容易地实现了，200多行哦；三则是为了抛砖引玉，我水平有限，尤其对这些有点偏底层偏细节的东西理解不深，如有错误，还望指出！如果您觉得对您有帮助，不要忘了推荐哦~

参考资料：

1、大牛的博客：http://journal.stuffwithstuff.com/2013/12/08/babys-first-garbage-collector/

2、大牛的github:https://github.com/zhujiangang/mark-sweep/blob/master/main.c

3、维基百科：http://en.wikipedia.org/wiki/Garbage_collection_(computer_science)