堆压缩如何快速工作？

Question

他们说压缩垃圾收集器比传统的内存管理更快，因为它们只需要收集活动对象，并且通过在内存中重新排列它们以便所有内容都在一个连续的块中，最终不会产生堆碎片。但是如何快速完成呢？在我看来，这相当于装箱问题，即NP-hard，在我们目前对计算的了解范围内，无法在合理的时间内在大型数据集上完成。我错过了什么？

Answer 1

压缩意味着在 RAM 中移动对象，以便删除一些对象（死对象，GC 应该回收的对象）并且所有剩余的对象在 RAM 中变得连续。

大多数压缩 GC 的工作方式是在从操作系统获得的单个连续区域内分配对象。压实就像移除死对象，然后将所有剩余的活对象“向左”推，挤出洞。如果 GC 通过压缩工作，那么分配只是向上移动“分配区域结束”指针的问题。综合而言，在分配区域内，有一个指针，使得空闲区域由该指针之后的字节组成。要为对象分配空间，只需将指针向上移动新的对象大小即可。有时，GC 决定是时候运行了，检测到死对象，挤出空洞，从而降低分配指针。

压缩 GC 带来的性能提升来自多个来源：

• 对于分配，无需找到合适的“洞”：根据构造，空闲空间始终是一个单一的大区域，只需向上移动指针即可。
• 没有碎片：压缩将所有活动对象一起移动，但这可以看作是将所有洞一起移动到一个大的空闲空间中。
• 改进了局部性。通过将活动对象移动到相邻区域，可以改善与高速缓存有关的行为。特别是，压缩算法倾向于将对象保持在它们各自的分配顺序中（对象滑动但不交换），据报道这对大多数应用程序具有启发式作用。

如果操作系统拒绝提供单个分配区域，而是产生几个块，那么事情会变得有点复杂，并且可能开始看起来像装箱问题，因为压缩然后 GC 必须决定每个活动对象在哪个块中。然而，装箱的复杂性在于在一般情况下找到“完美”匹配；对于内存分配器来说，一个近似的解决方案已经足够了。

压缩算法的算法难点在于更新所有指针，使它们指向新的对象位置。通过严格类型，.NET 虚拟机可以明确地确定 RAM 中的每个单词是否是指针，但是在不使用过多额外 RAM 的情况下有效地更新所有指针可能会很棘手。 H.B.M. Jonkers 在“A Fast Garbage Compaction Algorithm”（Information Processing Letters，第 9 卷，第 1 期，1979 年，第 26-30 页）中描述了一个非常聪明的算法。我在 Vast Internet 上找不到该论文的副本，但该算法在 Jones 和 Lins 的 "Garbage Collection" 书中有所描述（第 5.6 节）。我向所有有兴趣了解垃圾收集器的人热烈推荐这本书。 Jonkers 的算法需要对活动对象进行两次线性传递，结果证明很容易实现（几十行代码，仅此而已；最困难的部分是理解它的工作原理）。

额外的复杂性来自世代收集器，它们在大多数情况下试图让大多数对象保持不变，只优先处理年轻对象。在这里，这意味着只压缩堆的末端；完全压实很少应用。这里的要点是，完全压缩虽然是线性的，但仍可能导致明显的停顿。分代 GC 试图使这种暂停更少。再说一次，琼斯和林斯的书是必读的。