go 的 gc 机制

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常见垃圾回收算法

垃圾回收算法	描述	代表语言	优缺点
引用计数	为每个对象维护一个引用计数，记录对象被引用的次数。每当一个对象被引用时，引用计数就会增加。当对象不再被引用时，引用计数就会减少。如果对象的引用计数变为 0，则对象可以被垃圾回收器回收	Python、PHP	优点：实现简单，处理快 。 缺点：无法处理循环引用，两个对象相互引用，计数永远不为0
分代收集	按照对象生命周期长短划分不同的代空间，生命周期长的放入老年代，短的放入新生代，不同代有不同的回收算法和回收频率	Java	优点：性能好。缺点：需要 STW，算法复杂
三色标记法	从根变量开始遍历所有引用的对象，标记引用的对象为不同颜色，<br />被标记为白色的对象进行回收	Golang	优点：解决了引用计数的缺点。缺点：需要 STW，暂时停掉程序运行

以上都需要 STW

Golang 的 Gc 算法

使用 三色标记 + 混合写屏障机制 尽可能减少 STW 的时间

三色标记

• 1. 初始时，所有对象被标记为白色
• 2. gc 开始，遍历 rootset 根节点，将有引用对象的对象标记为 灰色，存入灰色对象列表
• 3. 遍历 灰色对象，将直接可达对象标记为 灰色，并将自身标记为 黑色
• 4. 重复第3步，直到标记完所有的对象 （灰色对象列表为空）
• 5. 将白色对象清除，保留黑色对象

如下图：

1.png

混合写屏障机制

在三色标记期间，如果没有STW，并发创建对象，可能存在 垃圾对象或误删对象 的情况：

• 1. 黑色对象的引用对象被删除，则不可达，正常黑色对象应该被回收，但是gc期间只会循环遍历灰色列表，不会回收黑色对象，因此该对象为垃圾对象 （多余垃圾对象）

     eg：对象1已经被标记为黑色，表示该对象有引用方，受保护，如果没有stw，该对象的引用可能被删除，正常应该转为白色对象被清除，然gc并不会清除黑色对象

• 2. 黑色对象引用了白色对象，白色对象有了引用对象应该被保护，但仍然被无情的回收 （清掉不该清的对象）

     白色对象只有被灰色对象引用情况，才会判断是否需要清理，白色对象如果在gc期间引用了黑色对象，那只会被误删除
     

所以 go 引入了 混合写屏障 机制，满足：

• 强三色不变式：黑色对象不允许引用了白色对象；因为一旦引用，该黑色对象将不会继续参与gc，白色对象会被无理清除
• 弱三色不变式：黑色对象可以引用白色对象，但该白色对象必须被其它灰色对象或其上游有灰色对象引用，否则该白色对象将被无理清除

这里需要注意一点，插入屏障仅会在堆内存中生效，不对栈内存空间生效，这是因为go在并发运行时，大部分的操作都发生在栈上，函数调用会非常频繁。数十万goroutine的栈都进行屏障保护自然会有性能问题

所以gc期间，任何在栈上新创建的对象，均为黑色。

完整的 Gc 流程

• 标记准备（Mark Setup）：开启混合写屏障（Write Barrier），需 STW（stop the world)
• 标记开始（Marking）：使用三色标记法并发标记 ，与用户程序并发执行
• 标记终止（Mark Termination）：对触发写屏障的对象进行重新扫描标记，关闭写屏障（Write Barrier），需 STW（stop the world)
• 清理（Sweeping）：将需要回收的内存归还到堆中，将过多的内存归还给操作系统，与用户程序并发执行

常见问题

1. gc 多久执行一次，什么时候触发

• 定时触发：Go 运行时系统会根据一定的时间间隔定期触发垃圾回收。时间间隔根据程序的内存使用情况和性能需求进行自适应调整
• 内存分配触发：当程序申请的内存超过一定阈值时，Go 运行时会触发垃圾回收，以防止过度使用内存
• 栈伸缩触发：当 Goroutine 的栈空间不足以容纳当前的执行需要时，Go 运行时会触发垃圾回收来扩展栈空间
• 主动触发：调用 runtime.GC
• 空间不足时触发： 当前线程的内存管理单元中不存在空闲空间时，创建32KB以下的对象可能触发垃圾收集，创建32KB以上的对象时，一定会尝试触发

2. 为什么混合写屏障不保护栈的引用

因为go在并发运行时，大部分的操作都发生在栈上，函数调用会非常频繁。数十万goroutine的栈都进行屏障保护自然会有性能问题

参考资料

源码位置：/go/1.18.3/libexec/src/runtime/mgc.go

详细总结： Golang GC、三色标记、混合写屏障机制 - Code2020 - 博客园 (cnblogs.com)

Golang 垃圾回收机制 有没有详细深入过？ (qq.com)