浅析Go-GC

一、简介

GC 即垃圾回收，主要针对于分配在堆上的内存（栈上内存与函数的执行周期绑定，无需管理），当这些内存不再使用的时候，Go 会将其自动回收。Go 的 GC 思想采用最简单的“标记清除”法，采用广度优先搜索算法，从根节点集合出发，进行可达性分析，标记有用的对象。

二、关键技术

三色标记法

过程

首先将对象分为三个部分：黑色、灰色和白色

白色：未被标记的对象集合，可能是垃圾
灰色：已被标记但子对象未被标记的对象集合
黑色：已被标记且子对象也被标记的对象集合，不是垃圾

1. 第一步：开始的时候将所有的对象都划分到白色集合中
2. 第二步：从根节点（Root）出发，遍历根节点直接可达的所有对象，划分到灰色集合
3. 第三步：遍历灰色集合中的所有对象，找到直接可达的白色对象，放入灰色集合中。再把原来的灰色集合中的对象放入黑色集合中
4. 第四步：重复第三步，直到没有与灰色对象直接相关的白色对象，所有的对象均被划分到白色或者黑色集合
5. 最后一步：清除白色集合中的所有对象

写屏障（Write Barrier）

• 写屏障是一种机制，用于在并发标记过程中捕获对对象的修改。
• 当用户程序修改对象时，写屏障会将被修改的对象标记为灰色，确保其不会被遗漏。

混合写屏障（Hybrid Write Barrier）

• Go 1.8 引入了混合写屏障，进一步优化了 GC 的性能。
• 混合写屏障结合了插入写屏障和删除写屏障的优点，减少了 STW 时间。

分代假设优化

• 虽然 Go 的 GC 不是严格的分代 GC（例如Java是分代GC），但它通过写屏障和其他优化策略，减少了对年轻对象的扫描开销。

三、触发条件

Go 的 GC 是自动触发的，主要依据以下条件：

1. 堆内存增长：当堆内存达到上次 GC 后的两倍的时候
2. 手动触发：手动调用 runtime.GC()可强制触发 GC
3. 内存不足：当系统内存不足的时候会触发 GC

四、具体流程

大致可以分为五个阶段：准备(STW)->并发标记->标记终止(STW)->清除->完成

（1）标记准备阶段（Mark Setup）

触发条件：

1. 当堆内存达到一定阈值的时候
2. 手动调用 runtime.GC()

STW:

1. 暂停所有 Goroutine（STW），准备开始 GC
2. 执行一些初始化操作，如重置标记状态

（2）并发标记（Concurrent Marking）

1. 使用三色标记法标记对象，将对象最终划分为两个区
2. 此过程与用户程序并发执行

（3）标记终止（Mark Termination）

再次 STW，确保所有的对象都被正确地标记

（4）清除（Sweeping）

1. 并发清除：清除白色区域内的所有对象，此过程与用户程序并发执行
2. 内存回收：将回收的内存重新放入空闲内存列表，供后续使用

（5）完成阶段（Completion）

1. 恢复所有的 Goroutine 的执行
2. 统计 GC 结果信息
3. 调整 GC 参数，如 GOGC

五、STW

在 Go 的整个 GC 过程中，存在 STW 的阶段一共有 2 个，分别是标记准备阶段和标记终止阶段

标记准备阶段

触发时机

• gc 触发的时候（例如堆内存达到阈值或者手动调用 runtime.GC())，会进入标记准备阶段

STW 的原因

• 需要暂停所有的 Goroutine，确保根对象（全局变量、栈上的变量、寄存器中的变量等）状态一致
• 如果 Goroutine 继续执行的话，可能会修改根对象，使得状态不一致

STW 的任务

• 初始化 GC 对象
• 标记根对象，将其划入灰色集合

标记终止阶段

触发时机

• 并发标记阶段完成之后，进入标记终止阶段

STW 的原因

• 需要暂停所有的 Goroutine，确保所有的对象都被正确地标记

STW 的任务

• 检查是否有遗漏的对象，并完成标记过程