Go语言——垃圾回收GC

Go语言——垃圾回收GC

参考：

Go 垃圾回收原理

Golang源码探索(三) GC的实现原理

• 引用计数：对每个对象维护一个引用计数，当引用该对象的对象被销毁时，引用计数减1，当引用计数器为0是回收该对象。
  • 优点：对象可以很快的被回收，不会出现内存耗尽或达到某个阀值时才回收。
  • 缺点：不能很好的处理循环引用，而且实时维护引用计数，有也一定的代价。
  • 代表语言：Python、 PHP 、Swift
• 标记-清除：从根变量开始遍历所有引用的对象，引用的对象标记为"被引用"，没有被标记的进行回收。
  • 优点：解决了引用计数的缺点。
  • 缺点：需要STW，即要暂时停掉程序运行。
  • 代表语言：Golang(其采用三色标记法)
• 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，而短的放入新生代，不同代有不能的回收算法和回收频率。
  • 优点：回收性能好
  • 缺点：算法复杂
  • 代表语言： JAVA

标记

在之前的 Go语言——内存管理 一文中，分析过span是内存管理的最小单位，所以猜测gc的粒度也是span。

type mspan struct {
    // allocBits and gcmarkBits hold pointers to a span's mark and
    // allocation bits. The pointers are 8 byte aligned.
    // There are three arenas where this data is held.
    // free: Dirty arenas that are no longer accessed
    //       and can be reused.
    // next: Holds information to be used in the next GC cycle.
    // current: Information being used during this GC cycle.
    // previous: Information being used during the last GC cycle.
    // A new GC cycle starts with the call to finishsweep_m.
    // finishsweep_m moves the previous arena to the free arena,
    // the current arena to the previous arena, and
    // the next arena to the current arena.
    // The next arena is populated as the spans request
    // memory to hold gcmarkBits for the next GC cycle as well
    // as allocBits for newly allocated spans.
    //
    // The pointer arithmetic is done "by hand" instead of using
    // arrays to avoid bounds checks along critical performance
    // paths.
    // The sweep will free the old allocBits and set allocBits to the
    // gcmarkBits. The gcmarkBits are replaced with a fresh zeroed
    // out memory.
    allocBits  *gcBits
    gcmarkBits *gcBits
}

bitmap

如图所示，通过gcmarkBits位图标记span的块是否被引用。对应内存分配中的bitmap区。

三色标记

• 灰色：对象已被标记，但这个对象包含的子对象未标记
• 黑色：对象已被标记，且这个对象包含的子对象也已标记，gcmarkBits对应的位为1（该对象不会在本次GC中被清理）
• 白色：对象未被标记，gcmarkBits对应的位为0（该对象将会在本次GC中被清理）

例如，当前内存中有A~F一共6个对象，根对象a,b本身为栈上分配的局部变量，根对象a、b分别引用了对象A、B, 而B对象又引用了对象D，则GC开始前各对象的状态如下图所示:

1. 初始状态下所有对象都是白色的。
2. 接着开始扫描根对象a、b; 由于根对象引用了对象A、B,那么A、B变为灰色对象，接下来就开始分析灰色对象，分析A时，A没有引用其他对象很快就转入黑色，B引用了D，则B转入黑色的同时还需要将D转为灰色，进行接下来的分析。
3. 灰色对象只有D，由于D没有引用其他对象，所以D转入黑色。标记过程结束
4. 最终，黑色的对象会被保留下来，白色对象会被回收掉。

4

STW

stop the world是gc的最大性能问题，对于gc而言，需要停止所有的内存变化，即停止所有的goroutine，等待gc结束之后才恢复。

触发

• 阈值：默认内存扩大一倍，启动gc
• 定期：默认2min触发一次gc，src/runtime/proc.go:forcegcperiod
• 手动：runtime.gc()

go

1. Sweep Termination: 对未清扫的span进行清扫, 只有上一轮的GC的清扫工作完成才可以开始新一轮的GC
2. Mark: 扫描所有根对象, 和根对象可以到达的所有对象, 标记它们不被回收
3. Mark Termination: 完成标记工作, 重新扫描部分根对象(要求STW)
4. Sweep: 按标记结果清扫span

目前整个GC流程会进行两次STW(Stop The World), 第一次是Mark阶段的开始, 第二次是Mark Termination阶段.

• 第一次STW会准备根对象的扫描, 启动写屏障(Write Barrier)和辅助GC(mutator assist).
• 第二次STW会重新扫描部分根对象, 禁用写屏障(Write Barrier)和辅助GC(mutator assist).

需要注意的是, 不是所有根对象的扫描都需要STW, 例如扫描栈上的对象只需要停止拥有该栈的G.

从 go 1.9开始, 写屏障的实现使用了Hybrid Write Barrier, 大幅减少了第二次STW的时间.

写屏障

因为go支持 并行GC , GC的扫描和go代码可以同时运行, 这样带来的问题是GC扫描的过程中go代码有可能改变了对象的依赖树。

例如开始扫描时发现根对象A和B, B拥有C的指针。

1. GC先扫描A，A放入黑色
2. B把C的指针交给A
3. GC再扫描B，B放入黑色
4. C在白色，会回收；但是A其实引用了C。

为了避免这个问题, go在GC的标记阶段会启用写屏障(Write Barrier).

启用了写屏障(Write Barrier)后，

1. GC先扫描A，A放入黑色
2. B把C的指针交给A
3. 由于A在黑色，所以C放入灰色
4. C没有子对象，放入黑色
5. 扫描B，B没有子对象，放入黑色

即使A可能会在稍后丢掉C, 那么C就在下一轮回收。

开启写屏障之后，当指针发生改变, GC会认为在这一轮的扫描中这个指针是 存活 的, 所以放入 灰色 。

root

首先标记root跟对象，根对象的子对象也是存活的。

根对象包括：全局变量，各个G stack上的变量等。