golang 的 gc垃圾回收机制

一、常见的垃圾回收算法？

1.1 引用计数法

• 介绍：每个对象维护一个引用计数，记录对象呗应用的次数，每当一个对象被引用时，引用计数就会增加，当对象不背引用时，引用计数就会减少，如果对象计数变为0，那么可以对该对象进行垃圾回收。
• 代表：python，php
• 优缺点：
  • 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，永远无法清除

1.2 分代收集

• 按照对象的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，不同代的对象有不同的回收算法和频率
• 代表：java
• 优缺点：
  • 优点：性能好
  • 缺点：需要STW（stop the world），算法复杂

1.3 三色标记法

• 介绍：从根节点开始遍历所有引用对象，标记引用的对象为不同的颜色，被标记为白色的对象进行回收
• 代表：golang
• 优缺点：
  • 优点：解决了计数器的缺点
  • 缺点：需要stw，暂时停掉程序的运行

golang的gc算法使用三色标记法+混合写屏障 尽量减少STW的时间

二、三色标记步骤

1. 初始化，所有对象标记为白色
2. gc开始，遍历root根节点，将引用对象的对象标记为灰色，存入灰色列表
3. 遍历灰色列表，将直接可达的对象标记为灰色，自身标记为黑色
4. 重复上述步骤，直到标记完所有对象（灰色列表为空）
5. 将白色对象删除，保留黑色对象

2.1初始化图例

2.2 GC开始，遍历root，将直接可达的标记为灰色图例

2.3 遍历灰色列表，将直接可达的标记为灰色，自身标记为黑色

2.4 重复上述步骤，直到标记完所有对象

2.5 将标记为白色的对象进行垃圾回收（GC完成）

三、混合写屏障机制

在三色标记期间，如果没有进行STW(stop the world) ,并发创建对象or删除对象，可能 存在垃圾对象或误删对象的情况：

• 场景1：如果没有stw保护机制，黑色对象的引用对象被删除，当前黑色对象不可达，正常情况当前对象应该被删除，但是gc期间只会循环灰色队列，不会循环黑色队列，因此该对象为垃圾对象，但是被标记黑色，不可回收
• 场景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，但是仍然会被回收（被灰色对象引用的白色对象，才会在下次进行判断是否可达，如果黑色对象引用白色对象，则不会处理）

所以在此处，go引入了 混合写屏障机制，满足以下条件：

• 若三色不变式：黑色对象不允许引用白色对象；因为一旦被引用，该黑色对象将不继续参与gc，白色对象会被清除
• 若三色不变式：黑色对象可以引用白色对象，但是该白色对象必须被其他灰色对象或者其上游有灰色对象引用，否则该白色对象被清除

注意：插入屏障仅会对堆内存生效，栈内存不生效，这是因为go在并发运行时，大部分操作都发生在栈上，函数调度非常频繁，数十万计的goroutine在栈中运行，屏障保护自然会很影响性能
所以在gc期间，任何在栈上创建的对象，均为黑色

四、完整的gc流程

1. 准备阶段（mark setup）：开启混合写屏障（write barrier）需要STW(stop the world )
2. 标记开始（marking）:使用三色标记法，与用户程序并发执行
3. 终止标记（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） 需要STW(stop the world)
4. 清理（sweeping）: 将需要回收的内存还到堆中，将过多的内存归还给操作系统，与用户程序并发执行

五、gc执行的时机，什么时候触发gc

• 定时触发：go运行时系统会根据一定的时间间隔进行垃圾回收，时间间隔根据程序内存的使用情况和性能需求进行自适应分配
• 内存分配触发：当程序申请的内存超出一定阈值时，go运行时会触发垃圾回收机制，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执行需求是，go运行时会触发垃圾回收机制来扩展栈空降
• 主动调用：调用 runtime.GC
• 空间不足触发：当线程的内存管理单元中不存在空闲空间时，创建32kb以下的对象可能出发垃圾回收，创建32kb以上的对象一定出发垃圾回收

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总结

本文章主要介绍了golang中gc垃圾回收机制的运行原理，以及混合写屏障的机制
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