Java語言與C語言中垃圾回收的不同方式研究

摘 要：計(jì)算機(jī)中的各項(xiàng)語言都具備特有的優(yōu)缺點(diǎn)，其中Java語言屬于對(duì)象語言的范疇，而C語言屬于過程式語言。本文結(jié)合Java語言和C語言垃圾回收動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)的基本特征，對(duì)它們不同的垃圾回收的方式進(jìn)行探究，明確Java語言回收和操作的機(jī)制，掌握C語言中產(chǎn)生垃圾的原因、回收的原理以及具體方式。

關(guān)鍵詞：Java語言;C語言;垃圾回收

引言：隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，為了進(jìn)一步提升計(jì)算機(jī)設(shè)備的運(yùn)行速率，及時(shí)清除垃圾信息，擴(kuò)大系統(tǒng)的存儲(chǔ)量，編程人員應(yīng)該合理地應(yīng)用編程語言。垃圾回收技術(shù)具有較強(qiáng)的使用價(jià)值，能在特定的算法中對(duì)資源進(jìn)行回收。不同的編程語言具有不同的垃圾回收模式，比如Java語言和C語言這兩者間就存在一定差異。

一、Java語言中垃圾回收的方式

（一）垃圾回收方式

在Java語言可以使用垃圾回收器進(jìn)行垃圾處理，它的指針具有嚴(yán)格的構(gòu)建和應(yīng)用制度。Java語言是C++語言的進(jìn)一步優(yōu)化，它內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加地簡(jiǎn)化，摒棄多重繼承體制中的要素。對(duì)垃圾回收器和垃圾收集進(jìn)行簡(jiǎn)單的探究。回收器采用動(dòng)態(tài)化運(yùn)作的模式，可以自動(dòng)解放內(nèi)存塊，并對(duì)其進(jìn)行壓縮。它是一個(gè)低層次的運(yùn)行線，程序員的控制對(duì)它的運(yùn)行情況沒有明顯的影響。垃圾收集是一種自動(dòng)性操作，只能回收那些不被程序占用的部分。它只能在有需求的情況下進(jìn)行。

（二）操作機(jī)制

第一，跟蹤算法。這種算法的操作為以根部為出發(fā)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全方位的掃描和內(nèi)存塊識(shí)別，判斷其是否處于可達(dá)狀態(tài)，如果發(fā)生環(huán)形引用的情況，數(shù)據(jù)的計(jì)數(shù)的數(shù)值一直無法達(dá)到0，這樣垃圾就不能被回收。在這種情況下，跟蹤算法能對(duì)指針指向的內(nèi)存塊進(jìn)行標(biāo)記，及時(shí)清除可以釋放的區(qū)塊，實(shí)現(xiàn)回收垃圾的目的。第二，復(fù)制算法。在最初的階段，把堆分為一個(gè)對(duì)象面和多個(gè)空閑面，程序在運(yùn)行中占據(jù)對(duì)象面的空間。利用這種方法可以把對(duì)象面的內(nèi)容復(fù)制到空閑面，及時(shí)程序的空間處于充滿的狀態(tài)也能進(jìn)行復(fù)制。這樣就能實(shí)現(xiàn)面與面的互換，但是不能對(duì)垃圾進(jìn)行回收[1]。復(fù)制算法在壓縮問題中能發(fā)揮重要的作用，通過互換的模式，釋放對(duì)象面的空間。

第三，分代算法。它是復(fù)制算法的進(jìn)一步優(yōu)化，能提升操作的效率，避免程序暫停時(shí)間過長(zhǎng)的問題。分代算法在大部分程序中都能夠有效地應(yīng)用，能把堆分為多個(gè)組別。之后利用垃圾收集器把需要處理的內(nèi)存塊轉(zhuǎn)移到最高級(jí)別的子堆中，從而提升操作的效率。第四，引用計(jì)數(shù)算法。在內(nèi)存塊原有的基礎(chǔ)上新配置一個(gè)引用計(jì)數(shù)，只要這新內(nèi)存塊被原有內(nèi)存塊和外面的指針引用時(shí)，它的計(jì)數(shù)就增加一個(gè)數(shù)值。反之釋放一個(gè)，數(shù)值就會(huì)減少一個(gè)。直到引用計(jì)數(shù)為0時(shí)，就可以對(duì)這個(gè)內(nèi)存塊進(jìn)行回收。第五，壓縮算法。對(duì)所有內(nèi)存塊移到堆中進(jìn)行處理，把原來的區(qū)域變成空閑的位置，并及時(shí)進(jìn)行更新。第六，自適應(yīng)算法。它需要根據(jù)實(shí)際的情況，選用對(duì)應(yīng)的模式進(jìn)行垃圾處理操作。

二、C語言中垃圾回收的方式

C語言能夠與操作系統(tǒng)進(jìn)行直接地交互，不具備運(yùn)行時(shí)庫。因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)庫能夠?qū)?nèi)存進(jìn)行壓縮，減少堆棧占據(jù)的空間。所以C語言要想壓縮空間就需要編程人員進(jìn)行直接操作。

（一）垃圾產(chǎn)生的原因

在C語言中，主要有三種內(nèi)存分配的模式。第一，在棧上構(gòu)建局部變量。比如，void func（int p1， int p2， int p3）{int a = p1;int b =p2;int c =p3}。第二，靜態(tài)區(qū)域分配。比如，void swipe（int** p）{int temp=999;*p=&temp;}。第三，動(dòng)態(tài)區(qū)域分配。在進(jìn)行分配時(shí)，通過calloc進(jìn)行申請(qǐng)，在free的作用下進(jìn)行釋放。這種方法相對(duì)與其它兩種模式更加方便，能夠在大型程序編寫中發(fā)揮重要的內(nèi)存分配作用。但是它存在一定的使用風(fēng)險(xiǎn)，即通過calloc進(jìn)行申請(qǐng)時(shí)，其中的動(dòng)態(tài)內(nèi)存主要由另外的函數(shù)進(jìn)行使用，程序員在操作中經(jīng)常用free進(jìn)行內(nèi)存釋放，這就導(dǎo)致這部分內(nèi)容一直處于被分配的情況，增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)部不足問題發(fā)生的概率。此外在這種模式下，無法判定內(nèi)存泄露的具體位置。C語言中的這些內(nèi)存塊就是垃圾，在操作中需要應(yīng)用垃圾收集器，它具動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)的功能，能把垃圾回收到空閑鏈接中。

（二）回收的原理

C語言垃圾回收的歷史最早起源于上世紀(jì)60年代的Lisp語言，這項(xiàng)語言主要依靠動(dòng)態(tài)分配進(jìn)行運(yùn)作在，語言都在堆上進(jìn)行分配。程序員需要掌握一種模式能對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)管，這樣才能實(shí)現(xiàn)釋放內(nèi)存的目的，所以垃圾回收技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。C語言的垃圾回收模塊有三個(gè)運(yùn)行要求：不存在內(nèi)存泄露的問題、可以及時(shí)回收沒有使用的內(nèi)存、可以對(duì)內(nèi)部進(jìn)行整理和縮減。在程序中已經(jīng)分配的內(nèi)存都有明確的指向，如果某一塊內(nèi)存不存在指向，這種情況就被稱為內(nèi)存泄露，即處于不可達(dá)的狀態(tài)。當(dāng)程序處于任意狀態(tài)時(shí)，靜態(tài)數(shù)據(jù)段、程序棧以及寄存器中指針的集合體被稱為根集?？蛇_(dá)主要以根集為指引，能找到指向它的指針，反之就是不可達(dá)[2]。

垃圾回收器在運(yùn)行時(shí)先以根集為基礎(chǔ)，根據(jù)指針?biāo)傅姆较蜻M(jìn)行掃描，當(dāng)找到可以存儲(chǔ)的空間后先進(jìn)行標(biāo)記。其次對(duì)整個(gè)內(nèi)存進(jìn)行掃描，再次進(jìn)行標(biāo)記操作。最后在完成掃描工作后，需要對(duì)所有的內(nèi)存塊進(jìn)行探究，如果有的內(nèi)部塊沒有被標(biāo)記，說明它在鏈表中沒有發(fā)揮作用，可以進(jìn)行收回。

（三）垃圾回收方式

現(xiàn)階段，C語言中垃圾處理的主要模式為：標(biāo)記清除法以及引用計(jì)數(shù)法。第一，標(biāo)記清除法。這種清除模式起源于Lisp語言，主要分為兩個(gè)操作階段：空間標(biāo)記和垃圾清除。在進(jìn)行空間標(biāo)記時(shí)，利用垃圾回收器對(duì)每個(gè)內(nèi)存塊進(jìn)行掃描，標(biāo)記引用的區(qū)域。在完成整體掃描之后，要對(duì)內(nèi)存集中的所有內(nèi)存進(jìn)行探究，回收沒有標(biāo)記的內(nèi)存塊。應(yīng)用標(biāo)記清除法的關(guān)鍵點(diǎn)在于應(yīng)該準(zhǔn)確標(biāo)記被引用的內(nèi)存塊。在進(jìn)行垃圾清除時(shí)，被標(biāo)記的對(duì)象對(duì)稱為可達(dá)對(duì)象，沒有被標(biāo)記的就是不可達(dá)，即需要清除的垃圾。這時(shí)就需要按照次序釋放內(nèi)存塊中的內(nèi)存，對(duì)所有沒有標(biāo)記的進(jìn)行清除。第二，引用計(jì)數(shù)法。在內(nèi)存塊原有的基礎(chǔ)上新配置一個(gè)引用計(jì)數(shù)，只要這新內(nèi)存塊被原有內(nèi)存塊和外面的指針引用時(shí)，它的計(jì)數(shù)就增加一個(gè)數(shù)值，如果指針對(duì)其進(jìn)行釋放，它的計(jì)數(shù)就減少一個(gè)數(shù)值。當(dāng)它的計(jì)數(shù)數(shù)值為0時(shí)，就需要清除這個(gè)內(nèi)存塊對(duì)其中的存儲(chǔ)空間進(jìn)行重新利用。當(dāng)這種方法需要配置兩個(gè)函數(shù)時(shí)，可以同時(shí)進(jìn)行增加和減少計(jì)數(shù)的操作，數(shù)值為0時(shí)進(jìn)行內(nèi)存釋放。

引用計(jì)數(shù)法在應(yīng)用時(shí)不會(huì)干擾程序的運(yùn)行，并且具有較好的局部性。但是存在環(huán)形引用的情況，并且在釋放存儲(chǔ)空間時(shí)，需要計(jì)算引用的數(shù)值。標(biāo)記清除法不涉及環(huán)形引用的問題，并且引用計(jì)數(shù)的效率較高。但是在操作中需要暫停程序，存在一定的時(shí)間損耗。

結(jié)論：綜上所述，Java語言和C語言它們具有不同的垃圾回收模式，但是無論在哪一種語言中，垃圾處理工作都發(fā)揮著不可或缺的作用。所以在進(jìn)行編程學(xué)習(xí)時(shí)，特別是在入門的階段更需要培養(yǎng)釋放函數(shù)的習(xí)慣，保障每次使用后都能釋放內(nèi)存，這樣既能提升空間的利用率，又能保障系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊明.C語言與匯編語言相結(jié)合實(shí)現(xiàn)STM32F107單片機(jī)復(fù)位方法研究[J].建井技術(shù)，2020，41（01）：44-46.

[2]沈逸飛，任春龍，胡云飛，等.淺析C語言、Java、Python的數(shù)組合并方法[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2020，16（03）：78-82.

作者簡(jiǎn)介：

胡宇濤，男，民族：漢，出生年月1999-03-20，籍貫：湖南郴州， 學(xué)歷：本科，研究方向：軟件工程（java、前端、C語言）

（南華大學(xué)船山學(xué)院? 湖南 衡陽 421001）