Go：内存管理与内存清理

Illustration created for “A Journey With Go”, made from the original Go Gopher, created by Renee French.

这篇文章基于 Go 1.13 版本。有关内存管理的讨论在我的文章 ”Go:内存管理与分配 ” 中有解释。

清理内存是一个过程，它能够让 Go 知道哪些内存段最近可用于分配。但是，它并不会使用将位置 0 的方式来清理内存。

将内存置 0

将内存置 0 的过程 —— 就是把内存段中的所有位赋值为 0 —— 是在分配过程中即时执行的。

Zeroing the memory

但是，我们可能想知道 Go 采用什么样的策略去知道哪些对象能够用于分配。由于在每个范围内有一个内部位图 allocBits，Go 实际上会追踪那些空闲的对象。让我们从初始态开始来回顾一下它的工作流程，

Free objects tracking with allocBits

就性能角度来看，allocBits 代表了一个初始态并且会保持不变，但是它会由 freeIndex（一个指向第一个空闲位置的增量计数器）所协助。

然后，第一个分配就开始了：

Free objects tracking with allocBits

freeIndex 现在增加了，并且基于 allocBits 知道了下一段空闲位置。

分配过程将会再一次出现，之后， GC 将会启动去释放不再被使用的内存。在标记期间，GC 会用一个位图 gcmarkBits 来跟踪在使用中的内存。让我们通过我们运行的程序以相同的示例为例，在第一个块不再被使用的地方。

Memory tracking during the garbage collector

正在被使用的内存被标记为黑色，然而当前执行并不能够到达的那些内存会保持为白色。

有关更多关于标记和着色阶段的信息，我建议你阅读我的这篇文章 Go：GC 是如何标记内存的？

现在，我们可以使用 gomarkBits 精确查看可用于分配的内存。Go 现在也使用 gomarkBits 代替了 allocBits ，这个操作就是内存清理：

Sweeping a span

但是，这必须在每一个范围内执行完毕并且会花费许多时间。Go 的目标是在清理内存时不阻碍执行，并为此提供了两种策略。

清理阶段

Go 提供了两种方式来清理内存：

• 使用一个工作程序在后台等待，一个一个的清理这些范围。
• 当分配需要一个范围的时候即时执行。

关于后台工作程序，当开始运行程序时，Go 将设置一个后台运行的 Worker（唯一的任务就是去清理内存），它将进入睡眠状态并等待内存段扫描：

Background sweeper

通过追踪过程的周期，我们也能看到这个后台工作程序总是出现去清理内存：

Background sweeper

清理内存段的第二种方式是即时执行。但是，由于这些内存段已经被分发到每一个处理器的本地缓存 mcache 中，因此很难追踪首先清理哪些内存。这就是为什么 Go 首先将所有内存段移动到 mcentral 的原因。

Spans are released to the central list

然后，它将会让本地缓存 mcache 再次请求它们，去即时清理：

Sweep span on the fly during allocation

即时扫描确保所有内存段在保存资源的过程中都会得到清理，同时会保存资源以及不会阻塞程序执行。

与 GC 周期的冲突

正如之前看到的，由于后台只有一个 worker 在清理内存块，清理过程可能会花费一些时间。但是，我们可能想知道如果另一个 GC 周期在一次清理过程中启动会发生什么。在这种情况下，这个运行 GC 的 Goroutine 就会在开始标记阶段前去协助完成剩余的清理工作。让我们举个例子看一下连续调用两次 GC，包含数千个对象的内存分配的过程。

Sweeping must be finished before a new cycle

但是，如果开发者没有强制调用 GC，这个情况并不会发生。在后台运行的清理工作以及在执行过程中的清理工作应该足够多，因为清理内存块的数量和去触发一个新的周期（译者注：GC 周期）的所需的分配的数量成正比。