来自Atomic Object公司的Ken Fox为了解释各种垃圾回收算法，开发了一个小工具，用于对各种垃圾回收算法进行可视化演示。这个工具通过动画的形式展示了垃圾回收算法的执行过程，让人非常直观地了解这些复杂算法背后的原理。这篇文章最早由Ken Fox于2014年9月3号发表在Atomic Spin博客上，以下译文已获得源网站的翻译授权。原文链接“Visualizing Garbage Collection Algorithms”。
自动垃圾回收机制对于大部分开发人员来说已经见惯不怪了，它只不过是语言运行时为了简化我们的工作而提供的一种特性。
如果我们不了解垃圾回收器的原理，在选择垃圾回收器时，就很难做出决定。一个垃圾回收器涉及数百个实现细节，如果不清楚它们的作用和陷阱，就很容易陷入迷茫之中。
我开发了一个好玩的小工具，用于可视化5种垃圾回收算法。这个工具把运行时的垃圾回收行为创建成动画，相关代码可以在github上找到。这些垃圾回收算法可以通过简单的动画来演示，连我自己都感到很惊讶。
在结束时进行清理—无垃圾回收（No GC）
在任务处理结束时一次性清理所有的资源，这是最简单的垃圾清理方式。如果任务可以被拆分成更小的单元，那么使用这种方式来清理垃圾会很有效。举个例子，Apache的Web服务器为每个请求创建了一个小型的内存池，请求被处理完之后，整个内存池会被清理掉。
下面的动画模拟了一个正在运行的程序，画布代表程序的整体内存。黑色表示未被使用的内存，闪烁的绿色表示内存读取，黄色表示内存写入。色块会随着时间衰退，我们不仅可以看到内存是如何被使用的，还能看到当前的活动情况。如果仔细看的话，我们会发现，程序会忽略掉一些内存区域。这些区域变成了垃圾，它们不会再被使用，程序也无法触及到这些区域。
这个程序在内存中运行，不需要担心垃圾的清理问题。在下面的其他例子中，我也将使用这个程序作为示例。
引用计数回收器（Reference Counting Collector）
另一个简单的方案是使用计数器，计数器表示资源（内存中的对象）的使用次数，当计数器变成零的时候就可以将该资源销毁。在向已有的系统添加垃圾回收器时，开发人员通常会选择计数回收器，因为这种方式最容易与已有的资源管理器和代码集成在一起。Apple最初在Object-C里使用了标记清理回收器，不过这种回收器给他们带来了很多困扰，后来他们不得不使用计数回收器替代它。而且事实证明，自动计数回收器比之前的标记清理回收器更适合在Object-C中使用。
下面的动画模拟的是之前的那个程序，不过这次是根据内存对象的引用次数来清理垃圾。闪烁的红色表示正在进行引用计数。引用计数的最大好处在于它可以很快地检测出垃圾，从动画中你会发现，有些红色闪过之后的区域立即变成黑色。
不过引用计数算法存在很多问题。最大的一个问题是，它无法解决循环引用问题。这种情况很常见，父对象和反向引用会形成引用环，造成内存泄露。除此之外，引用计数需要额外的开销。从动画中可以看到，在内存使用没有增长的情况下，红色区域也一直保持闪烁。虽然现代CPU的运算能力很强，但内存并不快，而计数器的运算需要频繁使用内存。因为计数器需要不断被更新，所以它们不是只读的，而且不能保证线程安全。
引用计数器算法是一种摊销算法（将开销分摊给了程序），不过它是偶然性的摊销，无法保证响应时间。例如，假设程序正在处理一个很大的树结构，最后一个使用这个树的程序会触发销毁操作，根据墨菲定律，其延迟会比期望的要高。不过，这篇文章所演示的其他算法也都不是完全的摊销算法，所以偶然性的摊销完全取决于所处理的数据（这些算法有些是并发的，有些是部分并发的，不过我开发的这个工具无法演示这些特性）。
标记清除回收器（Mark Sweep Collector）
标记清除回收算法解决了一些在引用计数算法中存在的问题。它解决了循环引用问题，而且开销要小得多，因为它不需要维护计数器。
