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不同语言主流的内存回收策略

ruleeeer原创2023年11月4日其它内存回收RustC++Java大约 9 分钟约 2830 字

为什么需要内存回收

主要原因是避免内存泄漏，导致内存占用不断增加。如果不进行内存回收，程序在运行过程中使用的内存会越来越多，最终导致系统的内存资源耗尽。

内存回收策略有哪些？

主动释放

代表语言为 C/C++

需要用户进行手动的内存释放，主要语言为 C

  • 优势：手动释放提供更精确的控制，更高的性能
  • 劣势：容易造成内存安全等问题。

下面是一个 C 的简单的例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct {
    int value;
} MyStruct;

int main() {
    // 动态分配结构体内存
    MyStruct* ptr = (MyStruct*)malloc(sizeof(MyStruct));

    // 存储值
    ptr->value = 42;
    printf("存储的值为: %d\n", ptr->value);

    // 手动释放内存
    free(ptr);

    return 0;
}

自动释放

Java

Java 虚拟机提供了完善的 GC 系统使用户不用过多关注在内存回收问题上。

  • 优势：代码更简单，无需考虑内存回收。
  • 劣势：1、运行期性能损耗 2、通常内存占用更大
标记阶段

Java 虚拟机使用可达性算法来判断哪些对象需要回收

可达性算法的基本思想是通过一组称为GC Roots的根对象作为起点，然后通过遍历对象图的方式，找到所有与根对象直接或间接相连的对象。所有与根对象相连的对象都被认为是可达的，而未被找到的对象则被认为是不可达的，可以被垃圾回收器回收。

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哪些对象作为 GC Roots 对象？
其实 GC Roots 对象就是虚拟机认为一定会活过这次垃圾回收的对象。

  1. 当前正在执行的方法中的局部变量和输入参数。
  2. 活动线程的栈帧（包括调用栈）。
  3. 静态变量（static fields）。
  4. JNI（Java Native Interface）引用。
清除阶段

直接清除垃圾对象带来的问题：内存碎片化

如果分配超大的需要连续空间对象，这可能会导致提前进行一次垃圾回收
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复制

将内存区域分为相等的两块，每次只使用其中的一块，实现简单，运行高效，但是会较为浪费内存空间
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标记-整理算法

根据老年代的特点提出的一种标记算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法一样，但后续步骤不是直接对可回收对象回收，而是让所有存活的对象向一端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。

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分代收集

由于不同对象的生存周期不同，有的对象存活时间很短，而有些对象存活时间很长，所以 Java 虚拟机将堆内存分为两个区域（忽略 方法区/元空间）

年轻代：内存回收的主要区域，讲究更快的回收速度，更频繁的进行垃圾回收。
老年代：主要存放存活时间较长的对象，尽量避免该区域的垃圾回收。

最终的模型
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C++中的 RAII

C++中其中最常用的是使用RAII（Resource Acquisition Is Initialization）原则来自动内存管理。

RAII 原则是什么？

RAII 的基本思想是将资源的生命周期与对象的生命周期绑定在一起。当对象被创建时，它负责获取所需的资源，并在对象被销毁时自动释放资源。这种自动化的资源管理可以避免手动管理资源的麻烦，并提供了更高的代码可靠性和安全性。

对于 C++来说，RAII 会在创建对象（构造函数）时申请资源，对象销毁时（调用析构函数）释放资源。如下列代码所示

#include <iostream>

class Person {

private:
	// 人的名字
    std::string* name;
};

public:
	// 构造函数
    Person(const std::string& name) : name(new std::string(name)) {
        std::cout << "Person created: " << *this->name << std::endl;
    }

	// 析构函数，销毁对象时调用
    ~Person() {
        std::cout << "Person destroyed: " << *name << std::endl;
		// 释放name
        delete name;
    }

int main() {
    {
        Person person("John");
        // 在这个作用域结束时，person对象会自动销毁（调用析构函数），内存也会自动释放
    }
    return 0;
}

以上较为基础的简单场景，可以依赖于栈上分配来完成资源的自动回收，如果是main()更改为下面代码会发生什么？

int main() {
    {
        std::string* name = new std::string("John");
        Person person1(name);
        Person person2(name);
        // 在这个作用域结束时，person1和person2对象会自动销毁，但会导致双重释放同一块内存
    }
    return 0;
}

由于上述代码中的persion1和persion2销毁时会分别调用析构函数，但是name只有一个，这会导致name内存被释放两次，也就是在 C++中的双重释放错误。

如何解决该问题？

  1. 要么将 name 对象传递给构造函数时复制一份，这样就是不同的 name
  2. 使用智能指针共享 name 属性，智能指针会在合适的时机自动调用析构函数

C++提供了多种智能指针的实现，其中最常用的是std::shared_ptr和std::unique_ptr

  1. std::shared_ptr是一种共享所有权的智能指针。它使用引用计数来跟踪有多少个shared_ptr共享同一个对象。每当创建一个shared_ptr指向某个对象时，引用计数会增加。当引用计数变为零时，表示没有任何shared_ptr指向该对象，对象的析构函数会被调用，从而释放内存。
  2. std::unique_ptr是一种独占所有权的智能指针。它确保在任何时候只有一个unique_ptr指向某个对象。当unique_ptr被销毁时（例如，超出作用域或显式地将其重置为nullptr），对象的析构函数会被调用，从而释放内存。

下面使用了智能指针std::shared_ptr声明name属性，这样可以方式双重释放。

#include <iostream>
#include <memory>

class Person {
public:
    Person(const std::string& name) : name(std::make_unique<std::string>(name)) {
        std::cout << "Person created: " << *this->name << std::endl;
    }
    // 注意这里的析构函数，不再手动释放name的内存，交由智能指针管理
    ~Person() {
        std::cout << "Person destroyed: " << *name << std::endl;
    }

private:
    std::unique_ptr<std::string> name;
};

int main() {
	std::string* name = new std::string("John");
	// 计数器+1（此时为1）
	Person person1(name);
    {
		// 计数器+1（此时为2）
        Person person2(name);
    }
	// 计数器-1（此时为1）
    return 0;
}
// 计数器 -1（此时为0），释放`name`内存

以上程序使用了shared_ptr管理name，当persion2超出作用域时，会销毁persion2对象，但是不会释放name，因为析构函数中没有释放name，但是会导致name计数器-1，由于智能指针的存在此时不会释放name内存，直到persion1对象也被释放才计数器归 0 时才会真正的释放name

引用计数无法处理的的问题？

循环应用是什么

如下图所示，A 依赖 B，B 也依赖 A 的情况称为循环引用，这种情况下因为计数器一直为 1，因为双方都持有对方的引用，而且无法释放任何一方，这可能会导致内存泄漏。

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如何处理循环引用？

使用weak_ptr来声明弱引用指针，弱指针不会增加引用计数，这种情况下可以打破本身构成的环结构，破坏环结构之后可以轻松的依赖智能指针回收对象。

Rust

Rust 不需要手动的内存处理，也没有运行期间的垃圾回收导致的性能损耗，Rust 通过"所有权模型"，它允许在编译时进行内存管理，以避免运行时的内存错误

总体来说，Rust同样依赖于RAII原则，C++中的析构函数在Rust中表现为Drop 特征，不过Rust在C++的场景下做了更多相关的内存安全检查，避免出现一些内存安全问题。

所有权（Ownership）：Rust 中的每个值都有一个所有者，只能有一个所有者。当值被绑定到一个新的变量时，所有权会从旧的变量转移到新的变量。当所有者超出范围时，该值将被销毁。

所有权类似于C++中的unique_ptr


fn main() {
    let s1 = String::from("Hello");
    let s2 = s1;
// 在此处尝试使用 s1 将会导致编译错误，因为所有权已经转移给s2
    println!("s1: {}", s1);
}

所有权不仅能转移给引用，同样能转移给函数

fn main() {
    let s = String::from("Hello");
    take_ownership(s);
    // 在此处尝试使用 s 将会导致编译错误，因为所有权已经转移给 take_ownership函数
    println!("s: {}", s);
}

fn take_ownership(s: String) {
    println!("Inside take_ownership: {}", s);
    // 在函数结束时，s 的所有权将被释放，字符串将被销毁
}
  1. 借用（Borrowing）：Rust 允许通过借用来临时地访问所有者的值，而不获取所有权。借用可以是不可变的（&T）或可变的（&mut T）。借用的生命周期受限于借用者的作用域，这样可以在编译时检查悬挂指针和数据竞争等问题。
fn borrow_string(s: &str) {
    println!("Inside borrow_string: {}", s);
    // 在函数内部，我们可以使用 s，但是不能修改它
}

fn main() {
    let s = String::from("Hello");
    borrow_string(&s);
    println!("Main: {}", s); // 正常运行，s 的所有权没有转移
}

  1. 生命周期（Lifetime）：Rust 使用生命周期来跟踪借用的有效范围。生命周期注解（'a）用于指定引用的有效期，并确保引用不会超出其所引用的值的生命周期。这个主要是防止悬垂指针的问题。

    以下代码会编译报错

因为Rust需要准确的知道longest方法返回的是x还是y以对以对返回值做出检查，检查其是否可能引用了已经释放的变量或者对象。由于在编译期无法得知到底返回的是x还是y，结果导致编译报错。

fn main() {
    let str1:&str= "abcd";
    let str2:&str= "xyz";
    // 返回两个字符串中较长的那一个
    let result = longest(str1, str2);
    println!("The longest string is {}", result);
}


fn longest(x: &str, y: &str) -> &str {
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}

修改如下

在程序中强制指定x，y，和返回值的生命周期关系，表示三者的生命周期相同，继而能通过借用检查器的检查。

fn main() {
    let str1 = "abc";
    let str2 = "xyz";

    let result = longest(str1, str2);
    println!("The longest string is {}", result);
}


fn longest<'a>(x: &'a str, y: &'a str) -> &'a str {
    if x.len() > y.len() {
        x
    } else {
        y
    }
}

总结

目前来垃圾回收主要分成三类

  1. 强制手动回收内存：C/C++
  2. 拥有完备的垃圾回收器，用户无需关注内存回收：JS/Java/Python/Go
  3. 借助于 RAII，引用计数等等自动完成内存回收：C++/Rust/Swift
上次编辑于: 2023/11/6 12:48:44
贡献者: Jiannan Zhang