本文主要介紹標準的標記-清除算法的過程，優缺點，以及做的一些優化過程。
GC Mark-Sweep Algorithm
1.GC標記清除算法
標記清除算法主要分爲兩個階段：標記、清除。
標記階段：將所有的活動對象做上標記；
清除階段：把內存裏面沒有打上標記的對象回收掉。
通過這兩個階段，就可以把不需要的空間重複利用。
下面詳細介紹一下標記階段和清除階段是怎麼做的。
假設現在執行GC前有一塊分塊堆狀態如下圖：
1.1 標記階段
標記階段的僞代碼如下：
mark_phase(){
for(r : $roots) {
mark(*r)
}
}
collector從遍歷所有的根節點出發，標記所有的活動對象。然後通過調用遞歸函數mark()函數，mark函數僞代碼如下：
mark(obj){
if(obj.mark == FALSE){ //對象沒有被標記
//設置對象是活動對象
obj.mark = TRUE
for(child : children(obj)){ // 遞歸對象的子節點
mark(*child)
}
}
第二行判斷 if(obj.mark == FALSE) 主要是針對循環引用的場景，避免循環引用時候會循環調用mark函數，避免重複進行標記處理。
這個標記obj.mark 肯定是需要保存到對象的頭裏面。
標記完所有活動對象後，標記階段就結束了。標記階段結束後堆的狀態如下圖：
由上面標記階段可知，標記階段會遍歷堆中所有對象，所以標記階段耗時是與“活動對象的總數”成正比的。
1.2 標記階段算法
前面已經說了，標記階段需要遍歷所有的對象，那麼怎麼遍歷呢？常見的是基於深度優先遍歷搜索或則是廣度優先遍歷搜索。
針對這兩種場景來說，一般深度優先遍歷會比廣度優先遍歷搜索使用的內存量會更少，所以一般通過深度優先去做搜索。
1.3 清除階段算法
清除階段，collector也會遍歷整個堆，然後回收釋放所有沒有打標的內存對象。
僞代碼如下：
sweep_phase(){
sweeping = $heap_start //起始指針
while(sweeping < $heap_end){
if(sweeping.mark == TRUE){
sweeping.mark = FALSE
} else{
sweeping.next = $free_list
$free_list = sweeping
}
sweeping += sweeping.size }
}
}
在此出現了叫作 size 的域，這是存儲對象大小(字節數)的域。跟 mark 域一樣，我們事先在各對象的頭中定義它們。
清除階段，通過變量 sweeping 遍歷堆，具體來說就是從堆首地址 $heap_start 開始，按順序一個個遍歷對象的標誌位。
遍歷回收過程中，我們用free_list空閒鏈表來鏈接所有被回收的空閒內存塊。
經過清除階段之後內存堆的狀態如下圖：
清除階段，程序會遍歷所有堆，進行垃圾回收所花費時間與堆大小成正比。堆越大，清除階段所花費的時間就會越長。
1.4 已回收空閒內存空間再分配
當我們程序需要申請新的內存空間時，GC怎麼做分配才能利用空閒列表呢？
前面我們在清除階段已經把垃圾對象連接到空閒鏈表了。搜索空閒鏈表並尋找 大小合適的分塊，這項操作就叫作分配。執行分配的函數 new_obj() 僞代碼如下：
new_obj(size){
chunk = pickup_chunk(size, $free_list)
if(chunk != NULL)
return chunk
else
allocation_fail()
}
上面的邏輯很簡單，主要依賴於pickup_chunk函數從空閒鏈表取出合適的內存空間。
pickup_chunk() 函數用於遍歷 $free_list，尋找大於等於 size 的分塊。它 不光會返回和 size 大小相同的分塊，還會返回比 size 大的分塊。如果它找到和 size 大小 相同的分塊，則會直接返回該分塊;如果它找到比 size 大的分塊，則會將其分割成 size 大 小的分塊和去掉 size 後剩餘大小的分塊，並把剩餘的分塊返回空閒鏈表。
如果此函數沒有找到合適的分塊，則會返回 NULL。返回 NULL 時分配是不會進行的。針對這種情況，有專門的allocation_fail() 函數處理。
這裏從free_list搜索空閒合適內存時候，會有一些策略的不同優化。主要有First -fit、Best -fit、Worst -fit這些策略，具體的過程也比較簡單，感興趣的可以自行Google。
1.5 合併(內存碎片整理)
經過一定次數的分配之後，肯定會產生很多的內存碎片。但如果它們是連續的， 我們就能把所有的小分塊連在一起形成一個大分塊。這種“連接連續分塊”的操作就叫作合 並(coalescing)，合併是在清除階段進行的。具體的過程這裏就不說明了。
2.GC標記清除算法的優缺點
優點：
1）首先就是簡單，整個算法過程看上去還是比較easy的。
缺點：
1）很明顯，這種方式會造成大量的內存碎片，對碎片化的合併也會大大增加GC的負擔。
2）分配速度：遍歷空閒列表來分配導致的效率肯定是不高的。
3. GC標記清除算法的優化
針對標記-清楚算法的缺點也會有一些優化。
3.1 multi-size空閒鏈表優化分配速度
前面講了分配操作時候需要遍歷空閒鏈表直到找到合適的內存大小，時間複雜度很明顯的O(n)。
我們有一種方法，就是利用分塊大小不同的空閒鏈表，即創建只連接大分塊的空閒鏈表和只連接小分塊的空閒鏈表。這樣一來，只要按照 程序 所申請的分塊大小選擇空閒鏈表，就能在短時間內找到符合條件的分塊了。
我們用一個空閒鏈表數組保存不同大小的空閒鏈表首地址。主要策略是：
1）針對小字節的碎片，一個size一個空閒列表；
2）針對大size的塊，單獨一個列表。
3.2 延遲清理
我們知道清理階段耗費的時間與堆的大小有關係，爲了降低STW的時間，標記階段之後並不做及時的清理，而是在分配時候做檢測然後清理，這樣就可以減少STW的時間。