go的GC机制

Golang的标记清除

如下图所示，通过gcmarkBits位图标记span的块是否被引用。对应内存分配中的bitmap区。

三色标记

  • 白色：对象未被标记，gcmarkBits对应的位为0（该对象将会在本次GC中被清理）

  • 灰色：对象已被标记，但这个对象包含的子对象未标记

  • 黑色：对象已被标记，且这个对象包含的子对象也已标记，gcmarkBits对应的位为1（该对象不会在本次GC中被清理）

例如，当前内存中有A~F一共6个对象，根对象a,b本身为栈上分配的局部变量，根对象a、b分别引用了对象A、B, 而B对象又引用了对象D，则GC开始前各对象的状态如下图所示:

  1. 初始状态下所有对象都是白色的。
  2. 接着开始扫描根对象a、b; 由于根对象引用了对象A、B,那么A、B变为灰色对象，接下来就开始分析灰色对象，分析A时，A没有引用其他对象很快就转入黑色，B引用了D，则B转入黑色的同时还需要将D转为灰色，进行接下来的分析。
  3. 灰色对象只有D，由于D没有引用其他对象，所以D转入黑色。标记过程结束
  4. 最终，黑色的对象会被保留下来，白色对象会被回收掉。

gc

GC的触发

  • 阈值：默认内存扩大一倍，启动gc
  • 定期：默认2min触发一次gc，src/runtime/proc.go:forcegcperiod
  • 手动：runtime.gc()

STW

stop the world是gc的最大性能问题，对于gc而言，需要停止所有的内存变化，即停止所有的goroutine，等待gc结束之后才恢复。

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？这里就让说到golang的写屏障了。

GC流程

  1. Sweep Termination: 对未清扫的span进行清扫, 只有上一轮的GC的清扫工作完成才可以开始新一轮的GC
  2. Mark: 扫描所有根对象, 和根对象可以到达的所有对象, 标记它们不被回收
  3. Mark Termination: 完成标记工作, 重新扫描部分根对象(要求STW)
  4. Sweep: 按标记结果清扫span

目前整个GC流程会进行两次STW(Stop The World), 第一次是Mark阶段的开始, 第二次是Mark Termination阶段.

  • 第一次STW会准备根对象的扫描, 启动写屏障(Write Barrier)和辅助GC(mutator assist).
  • 第二次STW会重新扫描部分根对象, 禁用写屏障(Write Barrier)和辅助GC(mutator assist).

需要注意的是, 不是所有根对象的扫描都需要STW, 例如扫描栈上的对象只需要停止拥有该栈的G.
从go 1.9开始, 写屏障的实现使用了Hybrid Write Barrier, 大幅减少了第二次STW的时间.

写屏障

因为go支持并行GC， GC的扫描和go代码可以同时运行，这样带来的问题是GC扫描的过程中go代码有可能改变了对象的依赖树。

例如开始扫描时发现根对象A和B，B拥有C的指针。

  1. GC先扫描A，A放入黑色
  2. B把C的指针交给A
  3. GC再扫描B，B放入黑色
  4. C在白色，会回收；但是A其实引用了C。

为了避免这个问题, go在GC的标记阶段会启用写屏障(Write Barrier).

启用了写屏障(Write Barrier)后，

  1. GC先扫描A，A放入黑色
  2. B把C的指针交给A
  3. 由于A在黑色，所以C放入灰色
  4. C没有子对象，放入黑色
  5. 扫描B，B没有子对象，放入黑色

即使A可能会在稍后丢掉C, 那么C就在下一轮回收。

开启写屏障之后，当指针发生改变, GC会认为在这一轮的扫描中这个指针是存活的, 所以放入灰色。

其他常见gc机制

  • 引用计数
  • 复制收集
  • 分代收集

GC 的触发时机的两种形式

  1. 主动触发，通过调用 runtime.GC 来触发 GC，此调用阻塞式地等待当前 GC 运行完毕。
  2. 被动触发，分为两种方式：
    • 使用系统监控，当超过两分钟没有产生任何 GC 时，强制触发 GC。
    • 使用步调（Pacing）算法，其核心思想是控制内存增长的比例。

参考：

go
#go
go的GC机制
https://blog.puresai.com/2021/02/27/319/
作者
puresai
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