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每位 Gopher 都应该了解的 Golang 语言的垃圾回收算法

 3 years ago
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01 

介绍

关于垃圾回收，比较常见的算法有引用计数、标记清除和分代收集。Golang 语言使用的垃圾回收算法是标记清除。本文主要介绍一下 Golang 语言的垃圾回收算法。

02 

Golang 语言 v1.3 及之前的垃圾回收 - 标记清除

Golang 语言的标记清除垃圾回收算法，为了防止 GC 扫描时内存变化引起的混乱，那么就需要 STW，即 Stop The World，具体在 Golang 语言中是指，在 GC 时，先停止所有 goroutine，再进行垃圾回收，等待垃圾回收结束后再恢复所有被停止的 goroutine。 关于 STW 执行流程，可以参考下面这张经典图片。

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「图片来自网络」

标记清除：

  1. 启动 STW，暂停程序的业务逻辑，找出不可达对象和可达对象。

  2. 将所有可达对象做标记。

  3. 清除未标记的对象。

  4. 停止 STW，程序继续执行。

  5. 循环往复，直到进程程序生命周期结束。

标记清除的缺点：

  1. STW 需要暂停程序，导致程序卡顿。

  2. 做标记需要扫描整个 heap（堆）。

  3. 清除数据会产生 head（堆）碎片。

标记清除的优化：

因为 STW 需要暂停程序，为了减少暂停程序的时间，将清除操作移出 STW 执行周期，但是优化效果不明显，进一步优化请继续阅读下文。

03 

Golang 语言 v1.5 的垃圾回收 - 三色标记

所谓三色标记，实际上只是为了方便叙述而抽象出来的一种说法，三色对应垃圾回收过程中对象的三种状态：

  • 白色：对象未被标记， gcmarkBits 对应位为 0，该对象将会在本次 GC 中被清理。

  • 灰色：对象还在标记队列中等待被标记。

  • 黑色：对象已被标记， gcmarkBits 对应位为 0，该对象将会在本次 GC 中被回收。

三色标记：

  1. 新创建的对象，默认标记为白色。

  2. 从根节点开始遍历所有白色对象，将遍历到的对象的颜色由白色改为灰色。

  3. 将灰色对象作为根节点开始遍历所有白色对象，将遍历到的对象的颜色由白色改为灰色，并将作为根节点的灰色对象的颜色由灰色改为黑色。

  4. 循环往复，直到所有灰色对象的颜色都变为黑色。

  5. 将剩余的白色对象全部清除。

三色标记的缺点：

一个不被灰色对象可达的白色对象，如果被一个黑色对象引用，将会造成该白色对象丢失的问题。

三色标记的优化：

Golang 官方通过强/弱三色不变性，对三色标记做了优化。强三色不变性，即强制性不允许黑色对象引用白色对象；

弱三色不变性，即黑色对象可以引用白色对象，但是必须满足一个条件，该白色对象必须有灰色对象对它的直接引用，或者是可达链路中包含灰色对象。

具体实现是通过写屏障（Write Barrier），即在 GC 的特定时间开启，开启后指针传递时会把指针标记，被标记的指针在本次 GC 过程中不会被清理，等到下次 GC 时，才会被清理。写屏障的目的就是为了缩短 STW 的时间，让 goroutine 和 GC 同时运行。

Golang 语言中的写屏障分为插入写屏障和删除写屏障。

插入写屏障的含义：

满足强三色不变性，即被引用对象，会被强制标记为灰色。

插入写屏障的缺点：

结束时需要 STW 重新扫描栈，大约需要 10-100ms。

删除写屏障的含义：

满足弱三色不变性，即被删除对象，如果自身为灰色或者白色，会被标记为灰色。

删除写屏障的缺点：

回收精度低，即一个对象即使被删除了，最后一个指向该对象的指针也会等到下一次 GC 回收中才被清理。

04 

Golang 语言 v1.8 的垃圾回收 - 混合写屏障

Golang 语言的团队为了更进一步优化垃圾回收，采用了混合写屏障。

混合写屏障：

  1. 无需使用 STW，GC 在首次执行时，先将栈上的所有对象都标记为黑色。

  2. GC 在执行过程中，在栈上新创建的对象，默认被标记为黑色。

  3. 将被删除的对象标记为灰色。

  4. 将被添加的对象标记为灰色。

混合写屏障的优点：

混合写屏障，满足弱三色不变性，结合了插入写屏障和删除写屏障的优点。

05 

Golang 语言的 GC 触发方式

  1. 内存分配阈值， 阈值=上次 GC 内存分配值 * 内存增长率 ，其中内存增长率由环境变量  GOGC 设定，默认值为 100。每次内存分配时，都会先检查当前内存分配是否已经达到阈值，如果已达到阈值，就会触发 GC，即每当内存分配量将要增长一倍时则触发 GC。
  2. 定时触发， src/runtime/proc.go 文件中的  forcegcperiod 设定触发 GC 的时间间隔，默认值为 2 分钟。
  3. 手动触发，通过调用  runtime.GC() 方法，触发 GC。

06 

调式 GC

Golang 语言使用 GODEBUG 调式 GC： GODEBUG=gctrace=1 go run main.go

输出结果：

gc 1 @0.013s 0%: 0.037+0.36+0.004 ms clock, 0.60+0.48/0.81/0.012+0.073 ms cpu, 4->4->0 MB, 5 MB goal, 16 P
gc 2 @0.016s 1%: 0.010+0.24+0.004 ms clock, 0.17+0.29/0.44/0.21+0.064 ms cpu, 4->4->0 MB, 5 MB goal, 16 P
gc 3 @0.019s 1%: 0.069+0.50+0.041 ms clock, 1.1+0.29/0.68/0.13+0.66 ms cpu, 4->4->0 MB, 5 MB goal, 16 P
gc 4 @0.021s 2%: 0.056+0.35+0.041 ms clock, 0.90+0.33/0.67/0.064+0.65 ms cpu, 4->4->0 MB, 5 MB goal, 16 P
gc 5 @0.023s 2%: 0.053+0.27+0.003 ms clock, 0.85+0.42/0.63/0.069+0.057 ms cpu, 4->4->0 MB, 5 MB goal, 16 P

输出结果的含义：

  1. gc 1 @0.013s 0%: 表示第 1 次执行 GC， 0.013s 表示执行时间。
  2. 0% GC 占用进程的进程 CPU 时间的百分比。
  3. 0.037+0.36+0.004 ms clock 表示 GC 耗时，依次是 STW 清扫的时间，并发标记和扫描的时间，STW 标记的时间，即  stop-the-world (STW) sweep termination + concurrent mark and scan + and STW mark termination 。
  4. 0.60+0.48/0.81/0.012+0.073 ms cpu GC 占用的 CPU 时间。
  5. 4->4->0 MB 依次表示堆的大小，GC 后堆的大小，存活堆的大小。
  6. 5 MB goal 表示整体堆的大小。
  7. 16 P 表示 CPU 的核心数。
  8. GC forced 表示调用  runtime.GC() 方法，手动执行 GC。 
scvg0: inuse: 6, idle: 12, sys: 18, released: 0, consumed: 18 (MB)  
scvg0: inuse: 6, idle: 9, sys: 15, released: 0, consumed: 15 (MB)  
GC forced

  • inuse：内存使用大小。

  • idle：需要清除的空闲内存。

  • sys: 系统映射的内存。

  • released：释放的系统内存。

  • consumed：申请的系统内存。

07

总结

本文通过 Golang 语言的 v1.3、v1.5 和 v1.8 三个版本的 Golang 语言的算法的演进介绍垃圾回收。实际上几乎每个版本都会涉及垃圾回收的优化，相关代码也越来越复杂。如果读者希望更深入了解垃圾回收相关的内容，建议阅读相关源码。

尽管 Golang 语言可以自动进行垃圾回收，但是 GC 也会消耗资源，尽量还是在编写 Golang 代码的时候减少对象分配的数量，采用对象复用、将小对象组合成大对象或采用精准的数据类型，比如可以使用 int8，绝不使用 int。还可以在编写 Golang 代码的时候，手动触发 GC，将不再使用的内存及时释放。

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推荐阅读：

Golang 语言的内存管理

Golang 语言的 goroutine 调度器模型 GPM

参考资料：

https://blog.golang.org/ismmkeynote

https://draveness.me/golang/docs/part3-runtime/ch07-memory/golang-garbage-collector/

https://github.com/aceld/golang

https://www.geek-share.com/detail/2771766860.html

https://developer.aliyun.com/article/775798

https://juejin.cn/post/6844903917650722829

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