深入理解golang的GC回收机制

GC：Garbage Collection（垃圾回收是编程语言中提供的自动的内存管理机制，自动释放不需要的内存对象，让出存储器资源。）GC过程中无需程序员手动执行，GC机制在现代很多编程语言都支持，GC能力的性能与优劣也是不同语言之间对比度指标之一。

关于Golang的GC在演进过程中经历了多次的变革。具体主要有如下几次重大改变：

1. Go V1.3的标记-清除(mark and sweep)法。
2. Go V1.5的三色并发标记法。
3. Go V1.5的强三色不变式、弱三色不变式、插入屏障、删除屏障。
4. Go V1.8的混合写屏障机制。

下面我们单独来讲一下Golang GC的几次重大改变。

Go V1.3的标记-清除(mark and sweep)法。

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Go V1.3之前标记-清除算法核心步骤：

1. 启动STW
2. Mark需要清除的内存对象
3. Sweep清除需要清除的对象
4. 停止STW

Go V1.3标记-清除算法核心步骤：

1. 启动STW
2. Mark需要清除的内存对象
3. 停止STW
4. Sweep清除需要清除的对象

V1.3之前标记-清除算法详细过程：

• 第一步，暂停程序业务逻辑, 分类出可达和不可达的对象，然后做上标记。
• 第二步, 开始标记，程序找出它所有可达的对象，并做上标记。
• 第三步, 标记完了之后，然后开始清除未标记的对象。
• 第四步, 停止暂停，让程序继续跑。然后循环重复这个过程，直到process程序生命周期结束。

如上图，目前程序的可达对象有1-2-3，4-7，stw之后标记。操作非常简单，但是有一点需要额外注意：mark and sweep算法在执行的时候，需要程序暂停！即 STW(stop the world)，STW的过程中，CPU不执行用户代码，全部用于垃圾回收，这个过程的影响很大，所以STW也是一些回收机制最大的难题和希望优化的点。所以在执行第三步的这段时间，程序会暂定停止任何工作，卡在那等待回收执行完毕。

标记-清除(mark and sweep)的缺点：

• STW，stop the world；让程序暂停，程序出现卡顿
• 标记需要扫描整个heap
• 清除数据会产生heap碎片

Go V1.5的三色并发标记法。

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Go V1.5的三色并发标记法的核心步骤：

1. 启动STW
2. 新创建的对象默认颜色是白色
3. GC回收从根节点一次遍历所有对象，把遍历到的对象从白色集合放入灰色集合。
4. 循环遍历灰色集合，将灰色对象引用的对象从白色集合放入灰色集合，之后将此灰色对象放入黑色集合，直到灰色中无任何对象
5. 停止STW
6. 回收所有的白色标记表的对象.也就是回收垃圾。

Go V1.5的三色并发标记法的详细过程：

第一步 , 每次新创建的对象，默认的颜色都是标记为“白色”，如图所示。

上图所示，我们的程序可抵达的内存对象关系如左图所示，右边的标记表，是用来记录目前每个对象的标记颜色分类。这里面需要注意的是，所谓“程序”，则是一些对象的根节点集合。所以我们如果将“程序”展开，会得到类似如下的表现形式，如图所示。

第二步, 每次GC回收开始, 会从根节点开始遍历所有对象，把遍历到的对象从白色集合放入“灰色”集合如图所示。

这里 要注意的是，本次遍历是一次遍历，非递归形式，是从程序抽次可抵达的对象遍历一层，如上图所示，当前可抵达的对象是对象1和对象4，那么自然本轮遍历结束，对象1和对象4就会被标记为灰色，灰色标记表就会多出这两个对象。

第三步, 遍历灰色集合，将灰色对象引用的对象从白色集合放入灰色集合，之后将此灰色对象放入黑色集合，如图所示。

这一次遍历是只扫描灰色对象，将灰色对象的第一层遍历可抵达的对象由白色变为灰色，如：对象2、对象7. 而之前的灰色对象1和对象4则会被标记为黑色，同时由灰色标记表移动到黑色标记表中。

第四步, 重复第三步, 直到灰色中无任何对象，如图所示。

当我们全部的可达对象都遍历完后，灰色标记表将不再存在灰色对象，目前全部内存的数据只有两种颜色，黑色和白色。那么黑色对象就是我们程序逻辑可达（需要的）对象，这些数据是目前支撑程序正常业务运行的，是合法的有用数据，不可删除，白色的对象是全部不可达对象，目前程序逻辑并不依赖他们，那么白色对象就是内存中目前的垃圾数据，需要被清除。

第五步: 回收所有的白色标记表的对象. 也就是回收垃圾，如图所示。

以上我们将全部的白色对象进行删除回收，剩下的就是全部依赖的黑色对象。

以上便是三色并发标记法，不难看出，我们上面已经清楚的体现三色的特性。但是这里面可能会有很多并发流程均会被扫描，执行并发流程的内存可能相互依赖，为了在GC过程中保证数据的安全，我们在开始三色标记之前就会加上STW，在扫描确定黑白对象之后再放开STW。但是很明显这样的GC扫描的性能实在是太低了。

Go V1.5的强三色不变式、弱三色不变式、插入屏障、删除屏障。(这个是对三色标记法的优化，我这里就不做详细讲述。)

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Go V1.8的混合写屏障机制。

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Go V1.8的混合写屏障机制核心步骤：

1. 扫描栈中内存对象全部标记黑色，对新增加的对象标记为黑色
2. 扫描堆中的全部对象，把遍历到的对象从白色集合放入灰色集合。循环遍历灰色集合，将灰色对象引用的对象从白色集合放入灰色集合，之后将此灰色对象放入黑色集合，直到灰色中无任何对象，对被删除的对象标记为灰色，对被添加的对象标记为灰色。
3. 回收所有的白色标记表的对象.也就是回收垃圾。

关于混合写屏障，我们具体就场景进行分析。

GC开始：扫描栈区，将可达对象全部标记为黑

场景一：对象被一个堆对象删除引用，成为栈对象的下游

场景二：对象被一个栈对象删除引用，成为另一个栈对象的下游

场景三：对象被一个堆对象删除引用，成为另一个堆对象的下游

场景四：对象从一个栈对象删除引用，成为另一个堆对象的下游

混合写屏障的具体核心规则如下：

1. GC开始将栈上的对象全部扫描并标记为黑色(之后不再进行第二次重复扫描，无需STW)，

2. GC期间，任何在栈上创建的新对象，均为黑色。

3. 被删除的对象标记为灰色。

4. 被添加的对象标记为灰色。

总结：

GoV1.8三色标记法加混合写屏障机制，栈空间不启动屏障机制，堆空间启动屏障机制。整个过程几乎不需要STW，效率较高。