圖解Golang的GC垃圾回收算法

雖然Golang的GC自打一開始，就被人所詬病，但是經過這么多年的發展，Golang的GC已經改善了非常多，變得非常優秀了。

以下是Golang GC算法的里程碑：

• v1.1 STW
• v1.3 Mark STW, Sweep 并行
• v1.5 三色標記法
• v1.8 hybrid write barrier

經典的GC算法有三種： 引用計數(reference counting) 、 標記-清掃(mark & sweep) 、 復制收集(Copy and Collection) 。

Golang的GC算法主要是基于 標記-清掃(mark and sweep) 算法，并在此基礎上做了改進。因此，在此主要介紹一下 標記-清掃(mark and sweep)算法 ，關于 引用計數(reference counting) 和 復制收集(copy and collection) 可自行百度。

標記-清掃(Mark And Sweep)算法

此算法主要有兩個主要的步驟：

• 標記(Mark phase)
• 清除(Sweep phase)

第一步，找出不可達的對象，然后做上標記。

第二步，回收標記好的對象。

操作非常簡單，但是有一點需要額外注意： mark and sweep 算法在執行的時候，需要程序暫停！即 stop the world 。

也就是說，這段時間程序會卡在哪兒。故中文翻譯成 卡頓 。

我們來看一下圖解：

開始標記，程序暫停。程序和對象的此時關系是這樣的：

然后開始標記，process找出它所有可達的對象，并做上標記。如下圖所示：

標記完了之后，然后開始清除未標記的對象：

然后 垃圾 清除了，變成了下圖這樣。

最后，停止暫停，讓程序繼續跑。然后循環重復這個過程，直到 process 生命周期結束。

標記-清掃(Mark And Sweep)算法存在什么問題？

標記-清掃(Mark And Sweep)算法 這種算法雖然非常的簡單，但是還存在一些問題：

• STW，stop the world；讓程序暫停，程序出現卡頓。
• 標記需要掃描整個heap
• 清除數據會產生heap碎片

這里面最重要的問題就是：mark-and-sweep 算法會暫停整個整個程序。

Go是如何面對并這個問題的呢？

三色并發標記法

我們先來看看Golang的三色標記法的大體流程。

首先：程序創建的對象都標記為白色。

gc開始：掃描所有可到達的對象，標記為灰色

從灰色對象中找到其引用對象標記為灰色，把灰色對象本身標記為黑色

監視對象中的內存修改，并持續上一步的操作，直到灰色標記的對象不存在

此時，gc回收白色對象。

最后，將所有黑色對象變為白色，并重復以上所有過程。

好了，大體的流程就是這樣的，讓我們回到剛才的問題：Go是如何解決 標記-清除(mark and sweep) 算法中的卡頓(stw，stop the world)問題的呢？

gc和用戶邏輯如何并行操作？

標記-清除(mark and sweep)算法的STW(stop the world)操作，就是runtime把所有的線程全部凍結掉，所有的線程全部凍結意味著用戶邏輯是暫停的。這樣所有的對象都不會被修改了，這時候去掃描是絕對安全的。

Go如何減短這個過程呢？標記-清除(mark and sweep)算法包含兩部分邏輯：標記和清除。

我們知道Golang三色標記法中最后只剩下的黑白兩種對象，黑色對象是程序恢復后接著使用的對象，如果不碰觸黑色對象，只清除白色的對象，肯定不會影響程序邏輯。所以： 清除操作和用戶邏輯可以并發。

標記操作和用戶邏輯也是并發的，用戶邏輯會時常生成對象或者改變對象的引用，那么標記和用戶邏輯如何并發呢？

process新生成對象的時候，GC該如何操作呢？不會亂嗎？

我們看如下圖，在此狀態下：process程序又新生成了一個對象，我們設想會變成這樣：

但是這樣顯然是不對的，因為按照三色標記法的步驟，這樣新生成的對象A最后會被清除掉，這樣會影響程序邏輯。

Golang為了解決這個問題，引入了 寫屏障 這個機制。

寫屏障：該屏障之前的寫操作和之后的寫操作相比，先被系統其它組件感知。

通俗的講：就是在gc跑的過程中，可以監控對象的內存修改，并對對象進行重新標記。(實際上也是超短暫的stw，然后對對象進行標記)

在上述情況中， 新生成的對象，一律都標位灰色！
即下圖：

那么，灰色或者黑色對象的引用改為白色對象的時候，Golang是該如何操作的？

看如下圖，一個黑色對象引用了曾經標記的白色對象。

這時候，寫屏障機制被觸發，向GC發送信號，GC重新掃描對象并標位灰色。

因此，gc一旦開始，無論是創建對象還是對象的引用改變，都會先變為灰色。

參考文獻：

Golang's Real-time GC in Theory and Practice

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支持億速云。