Go的GC垃圾回收机制

历史原因

1. go发展史上采用过的一些方法

• go 1.3 之前使用标记清除 (mark and sweep)

• go 1.5 三色标记法

• go 1.8 三色标记法 + 混合写屏障机制

2. 垃圾回收设计的名词

• 自动释放
• 垃圾回收
• 三色标记法
• 内存管理
• STW（stop the world） 全部停止执行

标记清除法

标记清除法过程

1. 暂停程序业务逻辑
   暂停程序，绘制程序和对象的可达关系。这里的对象是个广义的概念，包括对象和变量或方法
   
2. 找到所有的可达对象，并做上标记。

3. 清除未标记对象

4. 停止暂停

停止暂停，让程序继续跑，然后循环重复这个过程，直到程序生命周期结束。

标记清除的缺点

• STW(stop the world)：让程序暂停，程序出现卡顿，影响性能（核心问题）

• 标记需要扫描整个 heap(堆)

• 清除数据会产生 heap 碎片

• 可以对以上方法进行改进（如下图），缩短 STW 的返回，但是还是会很大。
  

三色标记法的流程

三色标记法中，要切记，灰色只是一种状态，我们进行遍历最后的结果，就是没有灰色节点。

创建程序

1. 程序创建的时候，默认所有的对象都是白色。只要是新创建的对象，默认颜色就是白色

2. 遍历对象(非递归调用，只遍历一次)，得到灰色节点

切记这里的遍历，是从根节点出发。遍历到 对象1 和 对象4,切记 只遍历这一步，二不是递归调用。，他会把遍历到的 对象1 和 对象4加入到灰色标记表中

3. 遍历灰色集合
   对灰色节点进行遍历，把灰色几点能达到的点，标记为灰色节点，把自己标记为黑色节点。
   

重复遍历灰色标记表，直到不存在灰色节点。

灰色标记表只是一种中间状态，最终我们要把灰色标记表中的东西全部清理掉。只剩下要么都是白的，要么都是黑的

4. 回收白色垃圾
   

三色标记法不使用 STW 会出现的问题

说白了，他的问题就在于黑色节点引用白色节点了，这个白色节点，如果不停留，就会被删除掉。

综上所述，三色标记法最不希望发生的事

1. 一个白色对象被黑色对象引用
2. 灰色对象同时又丢了对该白色对象的引用

如果以上两个条件同时满足，那么就会出现对象丢失现象

强弱三色不变式

• 强三色不变式： 强制性的不允许黑色对象引用白色对象 ：破坏了条件一
  

• 弱三色不变式： 黑色对象可以引用白色对象，但是要求白色对象的链路上游，存在灰色对象 ：破坏了条件二
  

只要满足了强三色不变式或者弱三色不变式其中任何一个条件，就可以保证对象不丢失。那么如何保证呢？就要借助于屏障机制。

屏障机制

什么是屏障

屏障就是相当于在正常的流程中，插入了一道工序，在某些个语言里，屏障也叫做 回调,Hook 或者 handler、钩子函数。

插入屏障和删除屏障

屏障机制在 go 语言里，分为两种，分别为 插入屏障 和 删除屏障，由名字可知

1. 插入屏障: 当一个对象被引用时，触发的机制
2. 删除屏障: 一个对象被删除的时候，触发的机制

插入屏障

具体操作: 在 A 对象引用 B 对象的时候，B对象被标记为灰色。（将B挂在A下游，B必须标记为灰色）

这样可以满足强三色不变式，因为不存在黑色对象引用白色对象的情况了，因为白色会被强制编程灰色。

插入屏障的问题

因为每次引用对象，都触发 插入屏障 的话，会影响性能；堆栈两种结构相比，栈对性能的要求更高，所以为了不影响 栈 上的性能，是不执行插入屏障的，只有在 堆 上才执行插入屏障。

那么栈是如何进行垃圾回收的呢？

栈是在 堆 上的数据都扫描完了以后，然后启动 STW，再重新扫描一遍，标记完以后，进行删除。

删除屏障

被删除的对象，如果自身是灰色或者白色，那么就会被标记为灰色(其实就是为了保护灰色的一轮)

满足: 弱三色不变式。（保护灰色对象到白色对象的路径不会断）

1. 要删除对象2

2. 把 对象2 删除以后，要把 对象2 变成灰色

3. 接下来，把所有的白色对象删除掉。

从上边可以看出来，这样回收删不干净，部分节点要等第二轮CG才能删除

混合屏障

单独使用删除写屏障和插入写屏障存在的问题

插入写屏障的不足: 结束时，需要STW来重新扫描栈，大概需要 10~100ms
删除写屏障的不足：回收精度低，一个对象即使被删除了，最后一个指向它的指针，也依旧可以活过这一轮，

三色标记 + 混合写屏障

1. GC开始，优先扫描栈，将栈上的可达对象全部扫描，并标记为黑色(之后不再进行第二次扫描，无需STW)。
2. GC期间，在栈上创建的节点，也都是黑色。
3. 被删除对象，标记为 灰色
4. 被添加的节点，也标记为灰色

注意，为保证栈的性能，栈是不引入屏障机制的。删除对象就是添加一个nil对象，所以删除也叫删除写屏障。

参考文献

https://www.bilibili.com/video/BV1wz4y1y7Kd?share_source=copy_web