@hunter129

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今天是第三章的剩余部分：4.性能度量指標(biāo)，5.分代收集的基本原理。

性能度量
   
一些指標(biāo)用來評(píng)估垃圾收集的性能，包括：

    吞吐量（Throughput）
        一個(gè)很長(zhǎng)的周期中，除去花費(fèi)在垃圾收集上的時(shí)間占總時(shí)間的百分比。
    垃圾收集開銷（Garbage collection overhead）
        與吞吐量相反，這是垃圾收集占總時(shí)間的百分比。
    （譯注：為什么需要兩個(gè)指標(biāo)呢？對(duì)于并發(fā)的垃圾收集算法，垃圾收集的部分任務(wù)和應(yīng)用系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行導(dǎo)致上述兩個(gè)指標(biāo)加起來會(huì)大于100%）
    暫停時(shí)間（Pause time）
        垃圾收集發(fā)生時(shí)，應(yīng)用系統(tǒng)暫停的時(shí)間。
    收集頻率（Frequency of collection）
        垃圾收集相對(duì)于應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)生的頻率。
    占用空間（Footprint）
        一種大小的指標(biāo)，例如堆大小。
    反應(yīng)時(shí)間（Promptness）
        對(duì)象變成垃圾之后到內(nèi)存可用的時(shí)間
        
一個(gè)交互式應(yīng)用需要較低的暫停時(shí)間，反之持續(xù)的執(zhí)行時(shí)間對(duì)于非交互式應(yīng)用更加重要。一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用程序要求在垃圾收集中的暫停以及收集
器的整個(gè)周期擁有較少的抖動(dòng)。運(yùn)行在個(gè)人計(jì)算機(jī)或嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用可能主要關(guān)心小的空間占用。

分代收集

使用分代（generational collection）收集技術(shù)時(shí)，內(nèi)存分為很多代（generations），分離的存儲(chǔ)池存儲(chǔ)不同年齡的對(duì)象。例如，最通用的配置
中有兩代：一個(gè)用于存放年輕的對(duì)象，另一存放年老的對(duì)象。

不同的代使用不同的算法執(zhí)行垃圾收集任務(wù)，每個(gè)算法會(huì)基于本代獨(dú)特的特征進(jìn)行優(yōu)化。分代的垃圾收集基于一種被稱為弱分代假設(shè)（weak
generational hypothesis），它是關(guān)于在幾種語言（包括java語言）編寫的應(yīng)用程序中觀察到的結(jié)果：

    大部分的分配的對(duì)象不會(huì)被引用（存活）很長(zhǎng)時(shí)間，這些對(duì)象在年輕的時(shí)候就死掉了
    年老對(duì)象引用年輕對(duì)象的情況很少出現(xiàn)
   
年輕代的收集發(fā)生的相對(duì)頻繁、有效、快速，因?yàn)槟贻p代的空間通常比較小并且有很多的對(duì)象都不再被引用。

在年輕代幾次收集后仍然生存的對(duì)象最終會(huì)晉升（promoted）或者被授予（tenured）到年老代。如圖1。年老代一般比年輕代大，并且增長(zhǎng)的速度
很慢。結(jié)果是，年老代的收集很少發(fā)生，但是會(huì)花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間才能完成。

 
        圖1 分代的垃圾收集
   
為年輕代設(shè)計(jì)的收集算法主要關(guān)注在速度方面，因?yàn)槔占?jīng)常發(fā)生。另一方面，在空間方面更有效率的算法管理著年老代，因?yàn)槟昀洗紦?jù)了
大部分的堆空間并且年老代的垃圾密度比較低。

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第三章包括5個(gè)小部分，1.垃圾收集的基本概念，2.優(yōu)秀垃圾收集器的特征，3.收集器的設(shè)計(jì)選擇，4.性能度量指標(biāo)，5.分代收集的基本原理。
內(nèi)容比較長(zhǎng)，我會(huì)分成2篇帖子發(fā)，本章的內(nèi)容是通用的，也就說這些內(nèi)容同樣適用于其他JVM的實(shí)現(xiàn)，甚至其他語言的VM的垃圾收集實(shí)現(xiàn)。
今天的部分包括1－3，以下是正文：

第三章 垃圾收集概念

垃圾收集器負(fù)責(zé)以下幾個(gè)事情：
    1.分配內(nèi)存
    2.確保被引用的對(duì)象留在內(nèi)存中
    3.回收?qǐng)?zhí)行中代碼的引用無法到達(dá)的對(duì)象占用的內(nèi)存（譯注：強(qiáng)調(diào)執(zhí)行中是為了排除對(duì)象互相引用的情況。A、B互相引用，但沒有任何執(zhí)行中
    代碼引用他們，A、B也應(yīng)被回收）
   
對(duì)象被引用稱為活著的（live）。不再被引用的對(duì)象稱為死掉的（dead），術(shù)語叫垃圾（garbage）。發(fā)現(xiàn)和釋放（或者叫回收（reclaiming））
這些垃圾占用的空間叫做垃圾收集（garbage collection）。

垃圾收集可以解決很多內(nèi)存分配問題，卻不能解決所有的內(nèi)存分配問題。例如，你可以創(chuàng)建對(duì)象并無限期的引用著直到?jīng)]有內(nèi)存可用。垃圾收集在
使用其自身的時(shí)間和資源上是一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)。

垃圾收集器負(fù)責(zé)的內(nèi)存是由精確的算法來組織、分配和回收的，并對(duì)開發(fā)人員隱藏。空間通常從一個(gè)被稱為堆（heap）的非常大的內(nèi)存池分配出來。
垃圾收集的時(shí)間由垃圾收集器決定。通常，整個(gè)堆或堆的一部分被填滿或者達(dá)到某個(gè)閾值的時(shí)候，會(huì)觸發(fā)垃圾收集。

滿足內(nèi)存分配的請(qǐng)求是一個(gè)困難的任務(wù)，這其中包括要從堆中找到一個(gè)足夠大的內(nèi)存塊。對(duì)于大部分的動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配算法，其主要的問題是需要在
保持內(nèi)存分配和回收效率的同時(shí)避免內(nèi)存碎片。

優(yōu)秀的垃圾收集器的特征

垃圾收集器必須是安全有效的。就是說，使用中的數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)不能被錯(cuò)誤的釋放，同時(shí)在很少的幾個(gè)收集周期內(nèi)垃圾就應(yīng)該被回收。

垃圾收集器的執(zhí)行效率也必須很優(yōu)秀，暫停時(shí)間不能太長(zhǎng)。暫停的時(shí)候，應(yīng)用系統(tǒng)是不運(yùn)行的。然而，像大部分的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)那樣，這里也必須在
時(shí)間、空間、頻率之間做出權(quán)衡。例如，堆很小的時(shí)候，垃圾收集的速度很快但堆被填滿的速度更快，這樣就需要更頻繁的垃圾收集。相反的，大
的堆填滿的速度慢，收集的頻率也慢，但花費(fèi)的時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)。

另一個(gè)特征是有限的內(nèi)存碎片（fragmentation）。當(dāng)垃圾對(duì)象的內(nèi)存釋放后，釋放的空間會(huì)在各種各樣的區(qū)域形成小塊的空隙以至于可能導(dǎo)致沒
有一個(gè)足夠大的連續(xù)區(qū)域分配給較大的對(duì)象。一種減少內(nèi)存碎片的方法叫做壓縮（compaction），在下面垃圾收集器的設(shè)計(jì)決策部分會(huì)討論到。

可擴(kuò)展性同樣很重要。在多核系統(tǒng)上運(yùn)行的多線程程序中，內(nèi)存分配、垃圾收集都不能成為瓶頸。

設(shè)計(jì)決策

設(shè)計(jì)和選擇垃圾收集算法時(shí)必須做出一系列選擇：
   
    串行還是并行
        在串行收集中，同一時(shí)間只做一件事情。例如，即便有多個(gè)cpu可用，卻只有一個(gè)進(jìn)行收集工作。當(dāng)使用并行收集時(shí)，垃圾收集任務(wù)會(huì)分
    成幾個(gè)小的部分，這些小的部分在不同的cpu上同時(shí)執(zhí)行。同時(shí)執(zhí)行的操作使得收集速度更快，它的代價(jià)是額外的復(fù)雜性和可能更多的內(nèi)存碎
    片。

    并發(fā)的（Concurrent）還是停止一切（Stop-the-world）
        當(dāng)執(zhí)行停止一切（Stop-the-world）的垃圾收集時(shí)，應(yīng)用系統(tǒng)在收集期間完全暫停（suspended）了。另外一種選擇是，一個(gè)或多個(gè)垃圾
    收集任務(wù)可以和應(yīng)用系統(tǒng)同時(shí)并發(fā)的執(zhí)行。通常，一個(gè)并發(fā)的收集器，大部分工作并發(fā)的執(zhí)行，但仍會(huì)有一些短暫的暫停（stop-the-world
    pauses）。停止一切的垃圾收集比并發(fā)收集更簡(jiǎn)單，因?yàn)檎麄€(gè)堆都凍結(jié)了，在收集期間對(duì)象不會(huì)改變。它缺點(diǎn)是一些應(yīng)用程序不喜歡的暫停
    （paused）。相應(yīng)的，并發(fā)收集的暫停時(shí)間更短，但收集器必須格外的小心，執(zhí)行收集的同時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)可能會(huì)改變對(duì)象的狀態(tài)，這會(huì)增加一
    些開銷。并發(fā)收集會(huì)影響性能并且需要較大的堆內(nèi)存。
   
    壓縮 or 不壓縮 or 拷貝
        當(dāng)收集器判定內(nèi)存中的對(duì)象哪些是存活的哪些是垃圾之后，收集器可以壓縮（compact）內(nèi)存，將所有存活的對(duì)象放到一起，從而完全的
    恢復(fù)剩余的內(nèi)存。壓縮之后，在第一個(gè)空閑位置分配內(nèi)存將會(huì)非常的容易和迅速。可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的指針維持下一個(gè)可分配對(duì)象的位置。相
    對(duì)壓縮的收集器，非壓縮（non-compacting）的收集器在原地（in-place）釋放垃圾對(duì)象占用的空間，它不會(huì)像壓縮的收集器那樣移動(dòng)存活
    的對(duì)象創(chuàng)建一個(gè)大的回收區(qū)。非壓縮的好處是收集完成的很快，缺點(diǎn)是可能有內(nèi)存碎片。一般來說，從原地釋放的內(nèi)存分配空間比從壓縮的
    堆分配內(nèi)存更困難些。它必須搜素堆空間找到一個(gè)足夠大能容納新對(duì)象的連續(xù)內(nèi)存區(qū)域。第三種可供選擇的是復(fù)制（copying）收集器，拷貝
    （或疏導(dǎo)evacuates）所有活動(dòng)的對(duì)象到另一個(gè)不同的內(nèi)存區(qū)域。它的好處是原來的區(qū)域可以直接置空，簡(jiǎn)單快速的為隨后的內(nèi)存分配做好準(zhǔn)
    備，缺點(diǎn)是需要額外的空間和時(shí)間。

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第二章 直接 VS 自動(dòng)內(nèi)存管理

內(nèi)存管理是這樣的一些過程，識(shí)別哪些對(duì)象不再有用，回收（釋放）這些對(duì)象使用的內(nèi)存，使這些內(nèi)存在隨后的分配中可用。在一些編程語言中，
內(nèi)存分配是程序員的責(zé)任。這項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)導(dǎo)致了很多常見的錯(cuò)誤，如怪異、錯(cuò)誤的程序行為和程序崩潰。結(jié)果是，開發(fā)人員很大比例的時(shí)間都
在調(diào)試解決這些錯(cuò)誤。

在直接內(nèi)存管理的程序中經(jīng)常犯的一個(gè)錯(cuò)誤是懸掛引用（dangling references）。對(duì)象使用的空間被回收時(shí)，可能還有其他對(duì)象引用著。如果
一個(gè)對(duì)象擁有這樣（懸掛）的引用，當(dāng)它試圖訪問原始對(duì)象時(shí)，很可能這塊空間已經(jīng)分配給了新的對(duì)象，結(jié)果導(dǎo)致了未預(yù)期的訪問。

另外一個(gè)在直接內(nèi)存管理中常見的錯(cuò)誤是內(nèi)存泄露（space leaks）。內(nèi)存分配完不再使用后卻沒有釋放就會(huì)產(chǎn)生這樣的錯(cuò)誤。例如，你打算釋放
一個(gè)鏈表（linked list）使用的空間時(shí)犯了一個(gè)錯(cuò)誤，只回收了鏈表的第一個(gè)對(duì)象，其余的對(duì)象就不再被引用了，然而這些對(duì)象脫離了程序的控
制，再也無法使用或恢復(fù)。如果產(chǎn)生了足夠的泄露，內(nèi)存將持續(xù)消耗，直到再也沒有可用的部分。

作為替代方案，一種稱為垃圾收集（garbage collector）的自動(dòng)內(nèi)存管理方法正在被廣泛使用，尤其是在現(xiàn)代的面向?qū)ο笳Z言中。自動(dòng)內(nèi)存管理
使得編寫出更多抽象的接口、更多穩(wěn)定代碼成為可能。

垃圾收集避免了懸掛引用問題，因?yàn)楸荒程幰玫膶?duì)象永遠(yuǎn)不會(huì)被收集，內(nèi)存不會(huì)被釋放。垃圾收集同樣解決了上面提到的內(nèi)存泄露問題，因?yàn)椴?br /> 再被引用的內(nèi)存將自動(dòng)釋放。
（譯注：實(shí)際上java中依然有“內(nèi)存泄露”問題，只是這種泄露與上文中提到的傳統(tǒng)上的泄露不同。可以理解為對(duì)內(nèi)存的不恰當(dāng)使用，會(huì)導(dǎo)致垃圾收
集頻繁發(fā)生[本應(yīng)存儲(chǔ)對(duì)象的沒有存儲(chǔ)下來]，或OOM錯(cuò)誤[本來應(yīng)釋放的內(nèi)存沒有釋放]。）