對(duì)比Ruby和Python的垃圾回收

注：這篇文章基于我在布達(dá)佩斯的RuPy大會(huì)上所作的演講。我覺(jué)得與其直接將幻燈片發(fā)布出來(lái)，不如在我還有印象的時(shí)候?qū)⑺鼘?xiě)成博客來(lái)的更有意義。同樣，我會(huì)在將來(lái)發(fā)布RuPy大會(huì)的視頻鏈接。我計(jì)劃將在RubyConf大會(huì)上發(fā)表類(lèi)似的演講，除了有關(guān)于Python的部分，并且將對(duì)比MRI，JRuby以及Rubinius的垃圾回收器是怎樣工作的。

如果想要對(duì)Ruby垃圾回收器以及內(nèi)部原理有更加深入的了解，你可以在我即將出版的新書(shū)《Ruby Under a Microscope》中找到答案。

如果算法和業(yè)務(wù)邏輯是一個(gè)人的大腦，那么垃圾回收機(jī)制是人體的哪個(gè)器官呢?

在”Ruby Python”大會(huì)上，我想對(duì)比Ruby和Python內(nèi)部的垃圾回收機(jī)制是一件很有意思的事情。在開(kāi)始之前，我們?yōu)槭裁匆懻摾厥諜C(jī)制呢?畢竟這是一個(gè)最迷人的，最令人激動(dòng)的主題，不是嗎?你們有多少人對(duì)垃圾回收機(jī)制感到興奮?(許多的大會(huì)參與者竟然舉起了雙手!)

最近，在Ruby社區(qū)中有一篇帖子，關(guān)于怎樣通過(guò)修改Ruby GC的設(shè)置來(lái)提高單元測(cè)試的速度。這棒極了!通過(guò)減少GC垃圾回收的處理來(lái)提高測(cè)試的速度，這是一件很好的事情，但是不怎的，GC不會(huì)真正的讓我感到興奮。就如咋一看就感覺(jué)令人厭煩，枯燥的技術(shù)帖子。

事實(shí)上，垃圾回收是一個(gè)令人著迷的主題：垃圾回收算法不僅是計(jì)算機(jī)科學(xué)歷史一個(gè)重要的部分，更是前沿研究的一個(gè)主題。例如，MRI Ruby解釋器使用的”Mark Sweep”算法已經(jīng)超過(guò)了50年的歷史，與此同時(shí)，在Rubinius解釋器中使用的一種垃圾回收算法，是在Ruby中的另一種實(shí)現(xiàn)方式，這種算法僅僅是在2008才被研究出來(lái)。

然而，”垃圾回收”的這個(gè)名稱(chēng)，是非常的不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

應(yīng)用程序的心臟

垃圾回收系統(tǒng)要做的不僅僅是”回收垃圾”。事實(shí)上，它主要完成三個(gè)重要任務(wù)：

為新的對(duì)象分配內(nèi)存

標(biāo)記垃圾對(duì)象

回收垃圾對(duì)象占用的內(nèi)存

想象你的應(yīng)用程序是一個(gè)人的身體：所有你寫(xiě)的優(yōu)雅的代碼，你的商業(yè)邏輯，你的算法，將會(huì)成為你的應(yīng)用程序的大腦或智能。與此類(lèi)似的，你認(rèn)為垃圾回收器會(huì)成為身體的哪一個(gè)部分呢?(我從大會(huì)的聽(tīng)眾中得到了很多有趣的答案：腎，白細(xì)胞)

我認(rèn)為垃圾回收器是一個(gè)應(yīng)用的心臟。正如心臟為身體的其他部分提供血液和養(yǎng)料一樣，垃圾回收器提供內(nèi)存和對(duì)象供程序使用。如果你的心臟停跳，你將活不了幾秒。如果垃圾回收器停止運(yùn)行或者變慢，就像動(dòng)脈阻塞一樣，你的程序?qū)⒆兊穆聛?lái)最后死掉!

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子

通過(guò)例子來(lái)驗(yàn)證理論是一種很好的方式。這里有一個(gè)簡(jiǎn)單的類(lèi)，用Python和Ruby寫(xiě)成，我們可以將它們作為一個(gè)簡(jiǎn)單的例子：

于此同時(shí)，兩種代碼如此相似讓我感到非常吃驚：Python和Ruby在表達(dá)相同的語(yǔ)義時(shí)幾乎沒(méi)有差別。但是，兩種語(yǔ)言的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)方式是否相同呢?

空閑對(duì)象鏈表

在上面的代碼中，當(dāng)我們調(diào)用了Node.new(1)之后，ruby將會(huì)做什么?也就是說(shuō)，Ruby怎樣創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象?

令人驚訝的是，Ruby做的事情非常少!事實(shí)上，在代碼運(yùn)行之前，Ruby解釋器會(huì)提前創(chuàng)建成千上萬(wàn)的對(duì)象放置到一個(gè)鏈表中，這個(gè)鏈表被稱(chēng)為”空閑對(duì)象鏈表”(free list)。空閑對(duì)象鏈表(`free list`)在概念上看起來(lái)像下面的樣子：

每一個(gè)白色方塊可以想象成一個(gè)預(yù)創(chuàng)建的，沒(méi)有使用的Ruby對(duì)象。當(dāng)我們調(diào)用Node.new，Ruby簡(jiǎn)單的使用一個(gè)對(duì)象，并且將它的引用返回給我們：

在上圖中，左邊的灰色方塊代表一個(gè)活躍的Ruby對(duì)象，被我們的代碼所使用，而其余的白色方塊代碼沒(méi)有使用的對(duì)象。(注意：當(dāng)然，圖中是一種簡(jiǎn)化的實(shí)現(xiàn)版本。事實(shí)上，Ruby將會(huì)使用另外一個(gè)對(duì)象保存字符串”ABC”，使用第三個(gè)對(duì)象保存Node的定義，以及其他的對(duì)象保存代碼處理過(guò)的抽象語(yǔ)法數(shù)”AST”，等待。)

如果我們?cè)俅握{(diào)用Node.new，Ruby僅僅返回另外一個(gè)對(duì)象的引用。

約翰麥卡錫在1960年在Lisp中首次實(shí)現(xiàn)了垃圾回收機(jī)制

這中使用預(yù)創(chuàng)建對(duì)象鏈表的簡(jiǎn)單算法發(fā)明于50多年前，它的作者是傳說(shuō)中的計(jì)算機(jī)科學(xué)家，約翰麥卡錫，正是他實(shí)現(xiàn)了最初的Lisp解釋器。Lisp不僅是第一個(gè)函數(shù)式編程語(yǔ)言，并且包含了計(jì)算機(jī)科學(xué)中許多突破性的進(jìn)展。其中之一便是通過(guò)垃圾回收機(jī)制自動(dòng)管理內(nèi)存。

標(biāo)準(zhǔn)版Ruby，也就是”Matz’s Ruby Interpreter”(MRI)，使用了一種類(lèi)似于約翰麥卡錫在1960年實(shí)現(xiàn)的Lisp的垃圾回收算法。就像Lisp一樣，Ruby會(huì)預(yù)先創(chuàng)建對(duì)象并且在你創(chuàng)建對(duì)象或值的時(shí)候返回對(duì)象的引用。

在Python中分配對(duì)象內(nèi)存

從上面我們可以看出，Ruby會(huì)預(yù)先創(chuàng)建對(duì)象，并且保存在空閑對(duì)象鏈表(free list)中。那么Python呢?