面试题：缓存设计：常见内存缓存垃圾回收算法的特点

Question

请简要介绍至少两种常见的内存缓存垃圾回收算法，如标记 - 清除算法、引用计数算法等，并阐述它们各自的特点及适用场景。

Answer 1

标记 - 清除算法

1. 算法描述：
   • 首先标记出所有需要回收的对象，一般通过从根对象（如全局变量、栈上的变量等）出发，遍历所有可到达的对象，未被遍历到的对象即为需要回收的对象。
   • 标记完成后，统一回收所有被标记的对象。
2. 特点：
   • 优点：实现简单，不需要额外的空间记录引用计数。
   • 缺点：
     • 效率问题，标记和清除两个过程的效率都不高，标记阶段需要遍历所有对象，清除阶段需要遍历堆内存空间。
     • 产生内存碎片，清除后会在内存中留下不连续的空闲区域，可能导致后续大对象无法分配到足够连续的内存空间。
3. 适用场景：适用于对象生命周期较长、内存分配和回收频率较低的场景，例如一些服务器端应用，对内存碎片不太敏感，更注重实现的简单性。

引用计数算法

1. 算法描述： 为每个对象设置一个引用计数器，每当有一个地方引用该对象时，计数器加1；当引用失效时，计数器减1。当计数器的值为0时，该对象就可以被回收。
2. 特点：
   • 优点：
     • 回收及时，只要对象的引用计数为0，就可以立即回收，不会像标记 - 清除算法那样需要等待一个完整的回收周期。
     • 实时性较好，在对象引用变化时就进行计数调整，不会出现长时间的卡顿。
   • 缺点：
     • 维护引用计数的开销较大，每次引用关系变化都需要更新计数器，增加了系统开销。
     • 无法解决循环引用问题，若两个或多个对象相互引用，即使它们与根对象没有连接，其引用计数也不会为0，导致无法回收。
3. 适用场景：适用于短生命周期对象较多、对实时性要求较高且不容易出现循环引用的场景，比如一些游戏开发中对短期使用的对象管理。

复制算法

1. 算法描述：
   • 将内存分为两块大小相等的区域，每次只使用其中一块。当这一块内存使用完后，将存活的对象复制到另一块空闲区域，然后把使用过的区域一次性清理掉。
2. 特点：
   • 优点：
     • 简单高效，只需复制存活对象，清除操作简单，不会产生内存碎片。
     • 适合回收大量短生命周期对象，因为复制操作相对标记 - 清除算法效率更高。
   • 缺点：
     • 内存利用率低，始终只有一半的内存可用，另一半作为备用空间。
     • 复制操作对长生命周期对象开销大，每次回收都要复制存活的长生命周期对象。
3. 适用场景：适用于新生代内存区域，新生代中对象大多生命周期短，适合使用复制算法提高回收效率。例如Java虚拟机的新生代垃圾回收就常采用类似复制算法的策略。

标记 - 整理算法

1. 算法描述：
   • 首先标记出所有存活的对象，与标记 - 清除算法的标记阶段类似。
   • 然后将存活的对象向内存的一端移动，最后清理掉边界以外的内存空间。
2. 特点：
   • 优点：
     • 解决了标记 - 清除算法产生内存碎片的问题，通过移动存活对象保证内存的连续性。
     • 对于老年代这种对象存活率高的场景，相较于复制算法，避免了大量对象的复制操作，提高了效率。
   • 缺点：
     • 移动对象的操作需要调整对象的引用地址，开销较大。
     • 标记和整理过程效率相对不高，标记阶段要遍历所有对象，整理阶段要移动存活对象。
3. 适用场景：适用于老年代内存区域，老年代中对象存活率高，需要避免内存碎片，同时对效率要求不是极端苛刻，标记 - 整理算法可以较好地满足需求。