垃圾回收（GC）的三種基本方式
垃圾（Garbage）就是程序需要回收的對象，如果一個對象不在被直接或間接地引用，那麼這個對象就成爲了「垃圾」，它佔用的內存需要及時地釋放，否則就會引起「內存泄露」。有些語言需要程序員來手動釋放內存（回收垃圾），有些語言有垃圾回收機制（GC）。本文就來討論GC實現的三種基本方式。
其實這三種方式也可以大體歸爲兩類：跟蹤回收，引用計數。美國IBM的沃森研究中心David F.Bacon等人發佈的「垃圾回收統一理論」一文闡述了一個理論：任何垃圾回收的思路，無非以上兩種的組合，其中一種的改善和進步，必然伴隨着另一種的改善和進步。
跟蹤回收
跟蹤回收的方式獨立於程序，定期運行來檢查垃圾，需要較長時間的中斷。
標記清除
標記清除的方式需要對程序的對象進行兩次掃描，第一次從根（Root）開始掃描，被根引用了的對象標記爲不是垃圾，不是垃圾的對象引用的對象同樣標記爲不是垃圾，以此遞歸。所有不是垃圾的對象的引用都掃描完了之後。就進行第二次掃描，第一次掃描中沒有得到標記的對象就是垃圾了，對此進行回收。
複製收集
複製收集的方式只需要對對象進行一次掃描。準備一個「新的空間」，從根開始，對對象進行掃，如果存在對這個對象的引用，就把它複製到「新空間中」。一次掃描結束之後，所有存在於「新空間」的對象就是所有的非垃圾對象。
這兩種方式各有千秋，標記清除的方式節省內存但是兩次掃描需要更多的時間，對於垃圾比例較小的情況佔優勢。複製收集更快速但是需要額外開闢一塊用來複制的內存，對垃圾比例較大的情況佔優勢。特別的，複製收集有「局部性」的優點。
在複製收集的過程中，會按照對象被引用的順序將對象複製到新空間中。於是，關係較近的對象被放在距離較近的內存空間的可能性會提高，這叫做局部性。局部性高的情況下，內存緩存會更有效地運作，程序的性能會提高。
對於標記清除，有一種標記-壓縮算法的衍生算法：
對於壓縮階段，它的工作就是移動所有的可達對象到堆內存的同一個區域中，使他們緊湊的排列在一起，從而將所有非可達對象釋放出來的空閒內存都集中在一起，通過這樣的方式來達到減少內存碎片的目的。
引用計數
引用計數是指，針對每一個對象，保存一個對該對象的引用計數，該對象的引用增加，則相應的引用計數增加。如果對象的引用計數爲零，則回收該對象。
優點：引用計數最大的優點就是容易實現，C++程序員應該都實現過類似的機制。二是成本小，基本上引用計數爲0的時候垃圾會被立即回收，而其他方法難以預測對象的生命週期，垃圾存在的時間都會比這個方法高。另，這種垃圾回收方式產生的中斷時間最短。
缺點：最著名的缺點就是如果對象中存在循環引用，就無法被回收。例如，下面三個對象互相引用，但是不存在從根（Root）指向的引用，所以已經是垃圾了。但是引用計數不爲0.
還有一個缺點就是，引用計數不適合在並行中使用，多個線程同時操作引用計數，會引起數值不一樣的問題從而導致內存錯誤。所以引用計數必須採用獨佔方式，如果引用操作頻繁，那麼加鎖等併發控制機制的開銷是相當大的。
Perl和Python採用了這種GC機制。
它們的衍生算法
分代回收
這種回收方式用了程序的一種特性：大部分對象會從產生開始在很短的時間內變成垃圾，而存在的很長時間的對象往往都有較長的生命週期。高頻對新生成的對象進行回收，稱爲「小回收」，低頻對所有對象回收，稱爲「大回收」。每一次「小回收」過後，就把存活下來的對象歸爲「老生代」，「小回收」的時候，遇到老生代直接跳過。大多數分代回收算法都採用的「複製收集」方法，因爲小回收中垃圾的比例較大。
這種方式存在一個問題：如果在某個新生代的對象中，存在「老生代」的對象對它的引用，它就不是垃圾了，那麼怎麼制止「小回收」對其回收呢？這裏用到了一中叫做寫屏障的方式。
程序對所有涉及修改對象內容的地方進行保護，被稱爲「寫屏障」（Write Barrier）。寫屏障不僅用於分代回收，也用於其他GC算法中。
在此算法的表現是，用一個記錄集來記錄從新生代到老生代的引用。如果有兩個對象A和B，當對A的對象內容進行修改並加入B的引用時，如果①A是「老生代」②B是「新生代」。則將這個引用加入到記錄集中。「小回收」的時候，因爲記錄集中有對B的引用，所以B不再是垃圾。
增量回收
上面的算法縮短了「GC平均中斷時間」，但是在對實時性要求很高的程序中，對「GC最高中斷時間」的要求更高。比如，自動駕駛軟件，如果某次GC中斷了0.1s，那麼損失可能是致命的。
增量回收就是將GC分成幾部分來執行。設置「GC最多中斷10ms」這樣的條件限制來使GC的終端時間視作可預測的。
但是，在兩段的GC程序之間，引用關係可能發生了變化。所以，這種GC算法也要寫屏障，來記錄引用關係的變化。雖然這種方式控制了中斷最高時間，但是由於中斷次數增加，GC總時間是增加的。
並行回收
基本原理是，在程序運行的同時進行GC工作，最大化CPU的性能。但是這種方式也要面對增量回收的問題，所以也要進行寫屏障操作。
然而這種方式也並未做到完全不暫停原程序的運行，在某些特定的GC階段還是要暫停原程序。多核化迅速發展的今天，這種算法也在不斷優化。不間斷原程序實現並行回收這個領域是相當值得期待的。