【Golang】GC探秘/写屏障是什么?

千杉沐雪 · · 1089 次点击 · · 开始浏览    
这是一个创建于 的文章,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

之前写了 一篇【Golang】内存管理 ,有了很多的阅读量,那么我就接着分享一下Golang的GC相关的学习。

由于Golang的GC机制一直在持续迭代,本文叙述的主要是Go1.9版本及以后的GC机制,该版本中Golang引入了 混合写屏障大幅度地优化了STW的时间。具体GC机制的版本迭代可以参考 :GC的过去、现在和未来

基本概念

GC的对象

不再被需要的内存块,如果无法回收这部分内存将无法重复使用

内存泄漏

不再被需要的内存块,未在预期时间以内被回收的称为内存泄漏

常见的GC方法:

1.【PHP,Swift,Python等】引用计数法:

  • 每个对象维护一个自身被引用的次数,当一个引用者消息后该计数-1;
  • 它的优势为GC时查找需要回收的对象很简单:只需要找到引用计数为0的对象即可;
  • 它的劣势为在写入引用关系时需要额外维护引用计数,带来一定开销 ;
    2.【Golang】标记清除法:
  • 每次GC时通过从根对象出发递归地查询所有对象的引用关系,将无引用的对象进行标记后再行清理。
  • 它的优势在于写入引用关系时无额外开销
  • 它的劣势在于GC时查询引用关系有一定开销 ,有时还需要STW从而影响性能

STW: Stop the world

为了避免在GC的过程中,对象之间的引用关系发生新的变更使得GC的结果发生错误(比如GC过程中新增了一个引用,但是由于未扫描到该引用导致将被引用的对象清除了),停止所有正在运行的协程。
STW对性能有一些影响,Golang目前已经可以做到1ms以下的STW。

三色标记法

Golang中的GC方式为标记后清除,所采用的逻辑为——三色标记法:一开始全部的对象都是白色的


三色标记法
  1. 从root对象开始(全局变量+全局栈+当前活跃的goroutines中的栈),将它们加入到灰色队列中,进行遍历:类似于二叉树使用队列进行BFS遍历的过程
  2. 从灰色队列中pop出一个对象
  3. 将其引用的对象都置为灰色,加入到灰色队列中
  4. 将该对象置为黑色
  5. 直到灰色队列为空时,剩余的无引用的白色对象即会被清除

内存回收

看不太明白的可以参考我的上一篇文章:【Golang】内存管理

  1. 被回收的内存块会被回收到MCache(Processor私有内存)结构中 ,对应的MSpan(块类型)的allocBits的bitmap中对应的位置会被从1改为 0
  2. MSpan中除了allocBits还有另一个bitmap:GCMarkBits用于存放需要清除的标记:黑色=1,白色=0,一次GC之后所有MSpan中的GCMarkBits和AllocBits应该完全相同,因为只有黑色的内存对象在GC之后才会保留下来

写屏障

上文有提到为了避免GC的过程中新修改的引用关系到GC的结果发生错误,我们需要进行STW。但是STW会影响程序的性能,所以我们要通过写屏障技术尽可能地缩短STW的时间。

造成引用对象丢失的条件

  1. 一个黑色的节点A新增了指向白色节点C的引用
  2. 并且白色节点C没有除了A之外的其他灰色节点的引用,或者存在但是在GC过程中被删除了

以上两个条件需要同时满足:满足条件1时说明节点A已扫描完毕,A指向C的引用无法再被扫描到;满足条件2时说明白色节点C无其他灰色节点的引用了,即扫描结束后会被忽略 。

写屏障破坏两个条件其一即可

  1. 破坏条件1 => Dijistra写屏障
  • 满足强三色不变性:黑色节点不允许引用白色节点
  • 当黑色节点新增了白色节点的引用时,将对应的白色节点改为灰色
  1. 破坏条件2 => Yuasa写屏障
  • 满足弱三色不变性:黑色节点允许引用白色节点,但是该白色节点有其他灰色节点间接的引用(确保不会被遗漏)
  • 当白色节点被删除了一个引用时,悲观地认为它一定会被一个黑色节点新增引用,所以将它置为灰色

写屏障的分类

注意:由于栈上的操作需要保证性能,所以所有的写屏障均只针对堆上的对象。

写屏障的分类

GC的时机

  1. 每次内存分配时检查当前内存分配量是否已达到阈值(环境变量GOGC):默认100%,即当内存扩大一倍时启用GC
  2. 定时触发:当最近2分钟未触发过GC时,会触发一次GC
  3. 通过runtime.GC()手动触发

GC的优化

分配的对象越多,GC性能就越差,所以需要减少对象分配的个数,比如对象复用,使用sync.Pool

注意:sync.Pool类似于缓存,其中的对象会被定期清理(GC时清理),不能放置像是数据库连接这样需要稳定存储的数据

参考

1.三色标记法是什么?
2.Go语言垃圾收集器原理


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本文来自:简书

感谢作者:千杉沐雪

查看原文:【Golang】GC探秘/写屏障是什么?

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