注：这篇文章基于我在布达佩斯的RuPy大会上所作的演讲。我觉得与其直接将幻灯片发布出来，不如在我还有印象的时候将它写成博客来的更有意义。同 样，我会在将来发布RuPy大会的视频链接。我计划将在RubyConf大会上发表类似的演讲，除了有关于Python的部分，并且将对比 MRI，JRuby以及Rubinius的垃圾回收器是怎样工作的。
如果想要对Ruby垃圾回收器以及内部原理有更加深入的了解，你可以在我即将出版的新书《Ruby Under a Microscope》中找到答案。
如果算法和业务逻辑是一个人的大脑，那么垃圾回收机制是人体的哪个器官呢？
在”Ruby Python”大会上，我想对比Ruby和Python内部的垃圾回收机制是一件很有意思的事情。在开始之前，我们为什么要讨论垃圾回收机制呢？毕竟这是 一个最迷人的，最令人激动的主题，不是吗？你们有多少人对垃圾回收机制感到兴奋？(许多的大会参与者竟然举起了双手！)
最近，在Ruby社区中有一篇帖子，关于怎样通过修改Ruby GC的设置来提高单元测试的速度。这棒极了！通过减少GC垃圾回收的处理来提高测试的速度，这是一件很好的事情，但是不怎的，GC不会真正的让我感到兴奋。就如咋一看就感觉令人厌烦，枯燥的技术帖子。
事实上，垃圾回收是一个令人着迷的主题：垃圾回收算法不仅是计算机科学历史一个重要的部分，更是前沿研究的一个主题。例如，MRI Ruby解释器使用的”Mark Sweep”算法已经超过了50年的历史，与此同时，在Rubinius解释器中使用的一种垃圾回收算法，是在Ruby中的另一种实现方式，这种算法仅仅 是在2008才被研究出来。
然而，”垃圾回收”的这个名称，是非常的不恰当的。
应用程序的心脏
垃圾回收系统要做的不仅仅是”回收垃圾”。事实上，它主要完成三个重要任务：
- 为新的对象分配内存
- 标记垃圾对象
- 回收垃圾对象占用的内存
想象你的应用程序是一个人的身体：所有你写的优雅的代码，你的商业逻辑，你的算法，将会成为你的应用程序的大脑或智能。与此类似的，你认为垃圾回收器会成为身体的哪一个部分呢？(我从大会的听众中得到了很多有趣的答案：肾，白细胞)
我认为垃圾回收器是一个应用的心脏。正如心脏为身体的其他部分提供血液和养料一样，垃圾回收器提供内存和对象供程序使用。如果你的心脏停跳，你将活不了几秒。如果垃圾回收器停止运行或者变慢，就像动脉阻塞一样，你的程序将变的慢下来最后死掉！
一个简单的例子
通过例子来验证理论是一种很好的方式。这里有一个简单的类，用Python和Ruby写成，我们可以将它们作为一个简单的例子：
于此同时，两种代码如此相似让我感到非常吃惊：Python和Ruby在表达相同的语义时几乎没有差别。但是，两种语言的内部实现方式是否相同呢？
空闲对象链表
在上面的代码中，当我们调用了Node.new(1)之后，ruby将会做什么？也就是说，Ruby怎样创建一个新的对象？
令人惊讶的是，Ruby做的事情非常少！事实上，在代码运行之前，Ruby解释器会提前创建成千上万的对象放置到一个链表中，这个链表被称为”空闲对象链表”(free list)。空闲对象链表(free list)在概念上看起来像下面的样子：
每一个白色方块可以想象成一个预创建的，没有使用的Ruby对象。当我们调用Node.new，Ruby简单的使用一个对象，并且将它的引用返回给我们：
在上图中，左边的灰色方块代表一个活跃的Ruby对象，被我们的代码所使用，而其余的白色方块代码没有使用的对象。(注意：当然，图中是一种简化的 实现版本。事实上，Ruby将会使用另外一个对象保存字符串”ABC”，使用第三个对象保存Node的定义，以及其他的对象保存代码处理过的抽象语法 数”AST”，等待。)
如果我们再次调用Node.new，Ruby仅仅返回另外一个对象的引用。
约翰麦卡锡在1960年在Lisp中首次实现了垃圾回收机制
这中使用预创建对象链表的简单算法发明于50多年前，它的作者是传说中的计算机科学家，约翰麦卡锡，正是他实现了最初的Lisp解释器。Lisp不仅是第一个函数式编程语言，并且包含了计算机科学中许多突破性的进展。其中之一便是通过垃圾回收机制自动管理内存。
标准版Ruby，也就是”Matz’s Ruby Interpreter”(MRI)，使用了一种类似于约翰麦卡锡在1960年实现的Lisp的垃圾回收算法。就像Lisp一样，Ruby会预先创建对象并且在你创建对象或值的时候返回对象的引用。
在Python中分配对象内存
从上面我们可以看出，Ruby会预先创建对象，并且保存在空闲对象链表(free list)中。那么Python呢？
当然Python内部也会由于各种原因使用空闲对象链表(它使用链表循环确定对象)，Python为对象和值分配内存的方式常常不同于Ruby。
假设我们创建一个Node对象使用Python：
Python不同于Ruby，当你创建对象的时候，Python会立即向操作系统申请分配内存。(Python 事实上实现了自己的内存分配系统，它在操作系统内存堆上提供了另外一层抽象，但是今天没有事件深入探讨。 )
当我们创建第二个对象时，Python将再次向操作系统申请更多的内存：
看起来相当简单，当我们创建Python对象的时刻，将花费事件申请内存。
Ruby将没有用的对象扔的到处都是，直到下一个垃圾回收过程
Ruby开发者生活在一个脏乱的房间
回到Ruby，由于我们分配越来越多的对象，Ruby将继续为我们从空闲对象链表(free list)获取预分配对象。因此，空闲对象链表将变得越来越短：
或者更短：
请注意，我将一个新的值赋给了n1，Ruby会遗留下旧的值。”ABC”, “JKL”和”MNO”等结点对象会依然保留在内存中。Ruby不会立即清理旧的对象尽管程序不再使用！作为一名Ruby开发者就像生活在一个脏乱的房 间，衣服随意的仍在地板上，厨房的水槽中堆满了脏盘子。作为一个Ruby开发者，你必须在一大堆垃圾对象中去工作。
当你的程序不在使用任何对象的时候，Python会立刻进行清理。
Python开发者生活在一所整洁的房子
垃圾回收机制在Python和Ruby中迥然不同，让我们回到前面三个Python中Node对象的例子：
内部的，每当我们新建一个对象，Python将在对象对应的C语言结构中保存一个数字，叫做引用技术。最初，Python将它的值设为1。
值为1表明每个对象有一个指针或引用指向它。假设我们创建一个新的对象，JKL：
正如前面所说，Python将”JKL”的引用计数设置为1。同样注意到我们改变n1指向了”JKL”，不再引用”ABC”，同时将”ABC”的引用计数减少为0。
通过这一点，Python垃圾回收器将会立即执行！无论何时，只要一个对象的引用计数变为0，python将立即释放这个对象，并且将它的内存返回给操作系统。
上图中，Python将回收”ABC”对象的内存。记住，Ruby只是将旧的对象遗留在那里并且不去释放它们占用的内存。
这种垃圾回收算法被称为”引用计数”，由乔治柯林斯发明于1960年。非常巧合的是在同一年约翰麦卡锡大叔发明了”空闲对象链表算法”。正如Mike Bernstein在Ruby Conference大会上所说”1960年是属于垃圾回收器的…”。
作为一个Python开发者，就像生活在一个整洁的房间中。你知道，你的室友有些洁癖，他会把你使用过的任何东西都清洗一遍。你把脏盘子，脏杯子一放到水槽中他就会清洗。
现在看另外一个例子，假设我们让n2和n1指向同样的结点：
上图左边可以看到，Python减少了”DEF”的引用计数并且立即回收了”DEF”对象。同时可以看到，由于n1和n2同时指了”JKL”对象，所以它的引用计数变为了2。
标记回收算法
最终脏乱的房间将堆慢垃圾，生活不能总是如此。Ruby程序在运行一段时间之后，空闲对象链表最终将被用尽。
上图中所有的预分配对象都被用尽(方块全部变成了灰色)，链表上没有对象可用(没有剩余的白色方块)。
此时，Ruby使用了一种由约翰麦卡锡发明的被称为”标记回收”的算法。首先，Ruby将停止程序的执行，Ruby使用了”停止这个世界，然后回收 垃圾”的方式。然后，Ruby会扫描所有的指向对象和值的指针或引用。同样，Ruby也会迭代虚拟机内部使用的指针。它会标记每一个指针所能到达的对象。 在下图中，我使用了”M”指出了这些标记：
上面三个”M”标记的对象为活跃对象，依然被我们的程序使用。在Ruby解释器内部，通常使用”free bitmap”的数据结构来保存一个对象是否被标记：
Ruby将”free bitmap”保存在一个独立的内存区域，以便可以更好的利用Unix的”copy-on-write”特性。更详细的信息，请参考我的另一篇文章《为什么Ruby2.0的垃圾回收器让我们如此兴奋》。
如果活跃对象被标记了，那么其余的便是垃圾对象，意味着它们不再会被代码使用。在下图中，我使用白色的方块表示垃圾对象：
接下来，Ruby将清理没有使用的，垃圾对象，将它们链入空闲对象链表(free list)：
在解释器内部，这个过程非常迅速，Ruby并不会真正的将对象从一个地方拷贝到另一个地方。相反的，Ruby会将垃圾对象组成一个新的链表，并且链入空闲对象链表(free list)。
现在，当我们要创建一个新的Ruby对象的时候，Ruby将为我们返回收集的垃圾对象。在Ruby中，对象是可以重生的，享受着多次的生命！
标记回收算法 vs. 引用计数算法
咋一看，Python的垃圾回收算法对于Ruby来说是相当让人感到惊讶的：既然可以生活在一个整洁干净的房间，为什么要生活在一个脏乱的房间呢？为什么Ruby周期性的强制停止程序的运行去清理垃圾，而不使用Python的算法呢？
然而，引用计数实现起来不会像它看起来那样简单。这里有一些许多语言不愿像Python一样使用引用计数算法的原因：
- 首先，实现起来很困难。Python必须为每一个对象留有一定的空间来保存引用计数。这会导致一些细微的内存开销。但更遭的是，一个简答的操作例如改变一个变量或引用将导致复杂的操作，由于Python需要增加一个对象的计数，减少另一个对象的计数，有可能释放一个对象。
- 其次，它会减慢速度。尽管Python在程序运行过程中垃圾回收的过程非常顺畅(当你把脏盘子放到水槽后，它立马清洗干净)，但是运行的并不十分 迅速。Python总是在更新引用计数。并且当你停止使用一个巨大的数据结构时，例如一个包含了大量元素的序列，Python必须一次释放许多对象。减少 引用计数可能是一个复杂的，递归的过程。
- 最后，它并不总是工作的很好。在我演讲的下一部分，也就是下一篇帖子中能看到，引用计数不能处理循环引用数据结构，它包含循环引用。
PHP 内存垃圾回收机制
PHP是一门托管型语言，在PHP编程中程序员不需要手工处理内存资源的分配与释放（使用C编写PHP或Zend扩展除外），这就意味着PHP本身实现了垃圾回收机制（Garbage Collection）。现在如果去PHP官方网站（php.net）可以看到，目前PHP5的两个分支版本PHP5.2和PHP5.3是分别更新的，这是因为许多项目仍然使用5.2版本的PHP，而5.3版本对5.2并不是完全兼容。PHP5.3在PHP5.2的基础上做了诸多改进，其中垃圾回收算法就属于一个比较大的改变。本文将分别讨论PHP5.2和PHP5.3的垃圾回收机制，并讨论这种演化和改进对于程序员编写PHP的影响以及要注意的问题。
PHP变量及关联内存对象的内部表示
垃圾回收说到底是对变量及其所关联内存对象的操作，所以在讨论PHP的垃圾回收机制之前，先简要介绍PHP中变量及其内存对象的内部表示（其C源代码中的表示）。
PHP官方文档中将PHP中的变量划分为两类：标量类型和复杂类型。标量类型包括布尔型、整型、浮点型和字符串；复杂类型包括数组、对象和资源；还有一个NULL比较特殊，它不划分为任何类型，而是单独成为一类。
所有这些类型，在PHP内部统一用一个叫做zval的结构表示，在PHP源代码中这个结构名称为“_zval_struct”。zval的具体定义在PHP源代码的“Zend/zend.h”文件中，下面是相关代码的摘录。
typedef union _zvalue_value{
long lval; /* long value */
double dval; /* double value */
struct {
char *val;
int len;
}str;
HashTable *ht; /* hash table value */
zend_object_value obj;
}zvalue_value;
struct _zval_struct{
/* Variable information */
zvalue_value value; /* value */
zend_uint refcount__gc;
zend_uchar type; /* active type */
zend_uchar is_ref__gc;
};
而当前zval中的value（value的类型即是_zvalue_value）到底表示那种类型，则由“_zval_struct”中的type确定。_zval_struct即是zval在C语言中的具体实现，每个zval表示一个变量的内存对象。除了value和type，可以看到_zval_struct中还有两个字段refcount__gc和is_ref__gc，从其后缀就可以断定这两个家伙与垃圾回收有关。没错，PHP的垃圾回收全靠这俩字段了。其中refcount__gc表示当前有几个变量引用此zval，而is_ref__gc表示当前zval是否被按引用引用，这话听起来很拗口，这和PHP中zval的“Write-On-Copy”机制有关，由于这个话题不是本文重点，因此这里不再详述，读者只需记住refcount__gc这个字段的作用即可。其中联合体“_zvalue_value”用于表示PHP中所有变量的值，这里之所以使用union，是因为一个zval在一个时刻只能表示一种类型的变量。可以看到_zvalue_value中只有5个字段，但是PHP中算上NULL有8种数据类型，那么PHP内部是如何用5个字段表示8种类型呢？这算是PHP设计比较巧妙的一个地方，它通过复用字段达到了减少字段的目的。例如，在PHP内部布尔型、整型及资源（只要存储资源的标识符即可）都是通过lval字段存储的；dval用于存储浮点型；str存储字符串；ht存储数组（注意PHP中的数组其实是哈希表）；而obj存储对象类型；如果所有字段全部置为0或NULL则表示PHP中的NULL，这样就达到了用5个字段存储8种类型的值。
PHP5.2中的垃圾回收算法——Reference Counting
PHP5.2中使用的内存回收算法是大名鼎鼎的Reference Counting，这个算法中文翻译叫做“引用计数”，其思想非常直观和简洁：为每个内存对象分配一个计数器，当一个内存对象建立时计数器初始化为1（因此此时总是有一个变量引用此对象），以后每有一个新变量引用此内存对象，则计数器加1，而每当减少一个引用此内存对象的变量则计数器减1，当垃圾回收机制运作的时候，将所有计数器为0的内存对象销毁并回收其占用的内存。而PHP中内存对象就是zval，而计数器就是refcount__gc。
例如下面一段PHP代码演示了PHP5.2计数器的工作原理（计数器值通过xdebug得到）：
<?php $val1 =100;//zval(val1).refcount_gc = 1; $val2 = $val1;//zval(val1).refcount_gc = 2,zval(val2).refcount_gc = 2(因为是Write on copy，当前val2与val1共同引用一个zval) $val2 =200;//zval(val1).refcount_gc = 1,zval(val2).refcount_gc = 1(此处val2新建了一个zval) unset($val1);//zval(val1).refcount_gc = 0($val1引用的zval再也不可用，会被GC回收) ?>
<?php $a = array(); $a[]=& $a; unset($a); ?>
这段代码首先建立了数组a，然后让a的第一个元素按引用指向a，这时a的zval的refcount就变为2，然后我们销毁变量a，此时a最初指向的zval的refcount为1，但是我们再也没有办法对其进行操作，因为其形成了一个循环自引用，如下图所示：Reference Counting简单直观，实现方便，但却存在一个致命的缺陷，就是容易造成内存泄露。很多朋友可能已经意识到了，如果存在循环引用，那么Reference Counting就可能导致内存泄露。例如下面的代码：
其中灰色部分表示已经不复存在。由于a之前指向的zval的refcount为1（被其HashTable的第一个元素引用），这个zval就不会被GC销毁，这部分内存就泄露了。
这里特别要指出的是，PHP是通过符号表（Symbol Table）存储变量符号的，全局有一个符号表，而每个复杂类型如数组或对象有自己的符号表，因此上面代码中，a和a[0]是两个符号，但是a储存在全局符号表中，而a[0]储存在数组本身的符号表中，且这里a和a[0]引用同一个zval（当然符号a后来被销毁了）。希望读者朋友注意分清符号（Symbol）的zval的关系。
在PHP只用于做动态页面脚本时，这种泄露也许不是很要紧，因为动态页面脚本的生命周期很短，PHP会保证当脚本执行完毕后，释放其所有资源。但是PHP发展到目前已经不仅仅用作动态页面脚本这么简单，如果将PHP用在生命周期较长的场景中，例如自动化测试脚本或deamon进程，那么经过多次循环后积累下来的内存泄露可能就会很严重。这并不是我在耸人听闻，我曾经实习过的一个公司就通过PHP写的deamon进程来与数据存储服务器交互。
由于Reference Counting的这个缺陷，PHP5.3改进了垃圾回收算法。
PHP5.3中的垃圾回收算法——Concurrent Cycle Collection in Reference Counted Systems
PHP5.3的垃圾回收算法仍然以引用计数为基础，但是不再是使用简单计数作为回收准则，而是使用了一种同步回收算法，这个算法由IBM的工程师在论文Concurrent Cycle Collection in Reference Counted Systems中提出。
这个算法可谓相当复杂，从论文29页的数量我想大家也能看出来，所以我不打算（也没有能力）完整论述此算法，有兴趣的朋友可以阅读上面的提到的论文（强烈推荐，这篇论文非常精彩）。
我在这里，只能大体描述一下此算法的基本思想。
首先PHP会分配一个固定大小的“根缓冲区”，这个缓冲区用于存放固定数量的zval，这个数量默认是10,000，如果需要修改则需要修改源代码Zend/zend_gc.c中的常量GC_ROOT_BUFFER_MAX_ENTRIES然后重新编译。
由上文我们可以知道，一个zval如果有引用，要么被全局符号表中的符号引用，要么被其它表示复杂类型的zval中的符号引用。因此在zval中存在一些可能根（root）。这里我们暂且不讨论PHP是如何发现这些可能根的，这是个很复杂的问题，总之PHP有办法发现这些可能根zval并将它们投入根缓冲区。
当根缓冲区满额时，PHP就会执行垃圾回收，此回收算法如下：
1、对每个根缓冲区中的根zval按照深度优先遍历算法遍历所有能遍历到的zval，并将每个zval的refcount减1，同时为了避免对同一zval多次减1（因为可能不同的根能遍历到同一个zval），每次对某个zval减1后就对其标记为“已减”。
2、再次对每个缓冲区中的根zval深度优先遍历，如果某个zval的refcount不为0，则对其加1，否则保持其为0。
3、清空根缓冲区中的所有根（注意是把这些zval从缓冲区中清除而不是销毁它们），然后销毁所有refcount为0的zval，并收回其内存。
如果不能完全理解也没有关系，只需记住PHP5.3的垃圾回收算法有以下几点特性：
1、并不是每次refcount减少时都进入回收周期，只有根缓冲区满额后在开始垃圾回收。
2、可以解决循环引用问题。
3、可以总将内存泄露保持在一个阈值以下。
PHP5.2与PHP5.3垃圾回收算法的性能比较
由于我目前条件所限，我就不重新设计试验了，而是直接引用PHP Manual中的实验，关于两者的性能比较请参考PHP Manual中的相关章节：http://www.php.net/manual/en/features.gc.performance-considerations.php。
首先是内存泄露试验，下面直接引用PHP Manual中的实验代码和试验结果图：
<?php
class Foo
{
public $var ='3.1415962654';
}
$baseMemory =memory_get_usage();
for ( $i =0; $i <=100000; $i++)
{
$a = new Foo;
$a->self= $a;
if ( $i %500===0)
{
echo sprintf('%8d: ', $i ),memory_get_usage()-$baseMemory, "n";
}
}
?>
可以看到在可能引发累积性内存泄露的场景下，PHP5.2发生持续累积性内存泄露，而PHP5.3则总能将内存泄露控制在一个阈值以下（与根缓冲区大小有关）。
另外是关于性能方面的对比：
<?php
class Foo
{
public $var = '3.1415962654';
}
for ( $i =0; $i <=1000000;$i++)
{
$a = new Foo;
$a->self= $a;
}
echo memory_get_peak_usage(),"n";
?>
然后使用CLI方式分别在打开内存回收和关闭内存回收的的情况下运行此脚本：这个脚本执行1000000次循环，使得延迟时间足够进行对比。
time php -dzend.enable_gc=0 -dmemory_limit=-1 -n example2.php # and time php -dzend.enable_gc=1 -dmemory_limit=-1 -n example2.php
与垃圾回收算法相关的PHP配置在我的机器环境下，运行时间分别为6.4s和7.2s，可以看到PHP5.3的垃圾回收机制会慢一些，但是影响并不大。
可以通过修改php.ini中的zend.enable_gc来打开或关闭PHP的垃圾回收机制，也可以通过调用gc_enable()或gc_disable()打开或关闭PHP的垃圾回收机制。在PHP5.3中即使关闭了垃圾回收机制，PHP仍然会记录可能根到根缓冲区，只是当根缓冲区满额时，PHP不会自动运行垃圾回收，当然，任何时候您都可以通过手工调用gc_collect_cycles()函数强制执行内存回收。
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