图解Golang的垃圾回收(GC)算法

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虽然Golang的GC自打一开始,就被人所诟病,但是经过这么多年的发展,Golang的GC已经改善了非常多,变得非常优秀了。

以下是Golang GC算法的里程碑:

  • v1.1 STW

  • v1.3 Mark STW, Sweep 并行

  • v1.5 三色标记法

  • v1.8 hybrid write barrier

经典的GC算法有三种: 引用计数(reference counting)标记-清扫(mark&sweep)复制收集(CopyandCollection)

Golang的GC算法主要是基于 标记-清扫(markandsweep)算法,并在此基础上做了改进。因此,在此主要介绍一下标记-清扫(mark and sweep)算法,关于引用计数(reference counting)和复制收集(copy and collection)可自行百度。

标记-清扫(Mark And Sweep)算法

此算法主要有两个主要的步骤:

  • 标记(Mark phase)

  • 清除(Sweep phase)

第一步,找出不可达的对象,然后做上标记。 第二步,回收标记好的对象。

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 stop the world。 也就是说,这段时间程序会卡在哪儿。故中文翻译成 卡顿

我们来看一下图解:

开始标记,程序暂停。程序和对象的此时关系是这样的:

image

然后开始标记,process找出它所有可达的对象,并做上标记。如下图所示:

image

标记完了之后,然后开始清除未标记的对象:

image

然后垃圾清除了,变成了下图这样。

image.gif

最后,停止暂停,让程序继续跑。然后循环重复这个过程,直到process生命周期结束。

标记-清扫(Mark And Sweep)算法存在什么问题?

标记-清扫(Mark And Sweep)算法这种算法虽然非常的简单,但是还存在一些问题:

  • 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

这里面最重要的问题就是:mark-and-sweep 算法会暂停整个程序。

Go是如何面对并这个问题的呢?

三色并发标记法

我们先来看看Golang的三色标记法的大体流程。

首先:程序创建的对象都标记为白色。

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gc开始:扫描所有可到达的对象,标记为灰色

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从灰色对象中找到其引用对象标记为灰色,把灰色对象本身标记为黑色

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监视对象中的内存修改,并持续上一步的操作,直到灰色标记的对象不存在

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此时,gc回收白色对象。

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最后,将所有黑色对象变为白色,并重复以上所有过程。

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好了,大体的流程就是这样的,让我们回到刚才的问题:Go是如何解决标记-清除(mark and sweep)算法中的卡顿(stw,stop the world)问题的呢?

gc和用户逻辑如何并行操作?

标记-清除(mark and sweep)算法的STW(stop the world)操作,就是runtime把所有的线程全部冻结掉,所有的线程全部冻结意味着用户逻辑是暂停的。这样所有的对象都不会被修改了,这时候去扫描是绝对安全的。

Go如何减短这个过程呢?标记-清除(mark and sweep)算法包含两部分逻辑:标记和清除。 我们知道Golang三色标记法中最后只剩下的黑白两种对象,黑色对象是程序恢复后接着使用的对象,如果不碰触黑色对象,只清除白色的对象,肯定不会影响程序逻辑。所以: 清除操作和用户逻辑可以并发。

标记操作和用户逻辑也是并发的,用户逻辑会时常生成对象或者改变对象的引用,那么标记和用户逻辑如何并发呢?

process新生成对象的时候,GC该如何操作呢?不会乱吗?

我们看如下图,在此状态下:process程序又新生成了一个对象,我们设想会变成这样:

image.gif

但是这样显然是不对的,因为按照三色标记法的步骤,这样新生成的对象A最后会被清除掉,这样会影响程序逻辑。

Golang为了解决这个问题,引入了 写屏障这个机制。 写屏障:该屏障之前的写操作和之后的写操作相比,先被系统其它组件感知。 通俗的讲:就是在gc跑的过程中,可以监控对象的内存修改,并对对象进行重新标记。(实际上也是超短暂的stw,然后对对象进行标记)

在上述情况中, 新生成的对象,一律都标位灰色!即下图:

image

那么,灰色或者黑色对象的引用改为白色对象的时候,Golang是该如何操作的?

看如下图,一个黑色对象引用了曾经标记的白色对象。

image

这时候,写屏障机制被触发,向GC发送信号,GC重新扫描对象并标位灰色。

image

因此,gc一旦开始,无论是创建对象还是对象的引用改变,都会先变为灰色
原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzMjk0ODI0OA==&mid=2247483727&idx=1&sn=abe1e6896cb398bde2517b469d07afa0&chksm=faaa3538cdddbc2e81e146f74fd7050a6ac9a89a13b024717c9d56888de4a19cb0973f6bbe94&mpshare=1&scene=24&srcid=04105l1DG5QXbS4dfUB6aWeX&key=fb1dd35c5489928a678ed39df498f0d7f7ce5ef29135addb7c0573a4d19220f05d9c2522d44eb6315eaa9b6590d1f3afaaf06a3e96a1abeb1fb22d2870f9185f446a1e704aa2b16bd0775cd7be370a43&ascene=14&uin=Mjg4MTE5ODIzMA%3D%3D&devicetype=Windows+10&version=62060739&lang=zh_CN&pass_ticket=bqbjocTiytbymxqE%2FkEqbcTWuMs1uh6W%2BK2eHz3sKwLI%2BWRx6of4k%2BmAlALLk8iH


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本文来自:简书

感谢作者:豆瓣奶茶

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