對比Ruby和Python的垃圾回收

注：這篇文章基于我在布達佩斯的RuPy大會上所作的演講。我覺得與其直接將幻燈片發布出來，不如在我還有印象的時候將它寫成博客來的更有意義。同樣，我會在將來發布RuPy大會的視頻鏈接。我計劃將在RubyConf大會上發表類似的演講，除了有關于Python的部分，并且將對比MRI，JRuby以及Rubinius的垃圾回收器是怎樣工作的。

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

如果算法和業務邏輯是一個人的大腦，那么垃圾回收機制是人體的哪個器官呢?

在”Ruby Python”大會上，我想對比Ruby和Python內部的垃圾回收機制是一件很有意思的事情。在開始之前，我們為什么要討論垃圾回收機制呢?畢竟這是一個最迷人的，最令人激動的主題，不是嗎?你們有多少人對垃圾回收機制感到興奮?(許多的大會參與者竟然舉起了雙手!)

最近，在Ruby社區中有一篇帖子，關于怎樣通過修改Ruby GC的設置來提高單元測試的速度。這棒極了!通過減少GC垃圾回收的處理來提高測試的速度，這是一件很好的事情，但是不怎的，GC不會真正的讓我感到興奮。就如咋一看就感覺令人厭煩，枯燥的技術帖子。

事實上，垃圾回收是一個令人著迷的主題：垃圾回收算法不僅是計算機科學歷史一個重要的部分，更是前沿研究的一個主題。例如，MRI Ruby解釋器使用的”Mark Sweep”算法已經超過了50年的歷史，與此同時，在Rubinius解釋器中使用的一種垃圾回收算法，是在Ruby中的另一種實現方式，這種算法僅僅是在2008才被研究出來。

然而，”垃圾回收”的這個名稱，是非常的不恰當的。

應用程序的心臟

垃圾回收系統要做的不僅僅是”回收垃圾”。事實上，它主要完成三個重要任務：

為新的對象分配內存

標記垃圾對象

回收垃圾對象占用的內存

想象你的應用程序是一個人的身體：所有你寫的優雅的代碼，你的商業邏輯，你的算法，將會成為你的應用程序的大腦或智能。與此類似的，你認為垃圾回收器會成為身體的哪一個部分呢?(我從大會的聽眾中得到了很多有趣的答案：腎，白細胞)

我認為垃圾回收器是一個應用的心臟。正如心臟為身體的其他部分提供血液和養料一樣，垃圾回收器提供內存和對象供程序使用。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行或者變慢，就像動脈阻塞一樣，你的程序將變的慢下來最后死掉!

一個簡單的例子

通過例子來驗證理論是一種很好的方式。這里有一個簡單的類，用Python和Ruby寫成，我們可以將它們作為一個簡單的例子：

于此同時，兩種代碼如此相似讓我感到非常吃驚：Python和Ruby在表達相同的語義時幾乎沒有差別。但是，兩種語言的內部實現方式是否相同呢?

空閑對象鏈表

在上面的代碼中，當我們調用了Node.new(1)之后，ruby將會做什么?也就是說，Ruby怎樣創建一個新的對象?

令人驚訝的是，Ruby做的事情非常少!事實上，在代碼運行之前，Ruby解釋器會提前創建成千上萬的對象放置到一個鏈表中，這個鏈表被稱為”空閑對象鏈表”(free list)。空閑對象鏈表(`free list`)在概念上看起來像下面的樣子：

每一個白色方塊可以想象成一個預創建的，沒有使用的Ruby對象。當我們調用Node.new，Ruby簡單的使用一個對象，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活躍的Ruby對象，被我們的代碼所使用，而其余的白色方塊代碼沒有使用的對象。(注意：當然，圖中是一種簡化的實現版本。事實上，Ruby將會使用另外一個對象保存字符串”ABC”，使用第三個對象保存Node的定義，以及其他的對象保存代碼處理過的抽象語法數”AST”，等待。)

如果我們再次調用Node.new，Ruby僅僅返回另外一個對象的引用。

約翰麥卡錫在1960年在Lisp中首次實現了垃圾回收機制

這中使用預創建對象鏈表的簡單算法發明于50多年前，它的作者是傳說中的計算機科學家，約翰麥卡錫，正是他實現了最初的Lisp解釋器。Lisp不僅是第一個函數式編程語言，并且包含了計算機科學中許多突破性的進展。其中之一便是通過垃圾回收機制自動管理內存。

標準版Ruby，也就是”Matz’s Ruby Interpreter”(MRI)，使用了一種類似于約翰麥卡錫在1960年實現的Lisp的垃圾回收算法。就像Lisp一樣，Ruby會預先創建對象并且在你創建對象或值的時候返回對象的引用。

在Python中分配對象內存

從上面我們可以看出，Ruby會預先創建對象，并且保存在空閑對象鏈表(free list)中。那么Python呢?