Golang源码之内存管理

1. Go V1.3之前的标记-清除(mark and sweep)算法

该算法主要有两个步骤：

• 标记
• 清除

第一步先暂停程序业务逻辑，分类出可达和不可达对象，然后做上标记。

对象1、2、3、4、7可达，对象5、6不可达。

第二步清除未标记的对象。

该算法有如下缺点：

1. STW(stop the world)，让程序暂停，程序出现卡顿。

2. 标记需要扫描整个heap。

3. 清除数据会产生heap碎片。

2. Go v1.5的三色并发标记法

Golang中的垃圾回收主要应用三色标记法，GC过程和其他用户goroutine可并发运行，但需要一定时间的STW(stop the world)，所谓三色标记法实际上就是通过三个阶段的标记来确定清楚的对象都有哪些？

• 程序起初创建，全部标记为白色，将所有对象放入白色集合中。

• 每次GC回收开始，会从根节点开始遍历所有对象，把遍历到的对象从白色集合放入灰色集合中。

注意：本次遍历是一次遍历，非递归形式。

• 遍历灰色集合，将灰色对象引用的对象从白色集合放入灰色集合，之后将此灰色对象放入黑色集合。

• 重复第三步，直到灰色中无任何对象。

• 最后，回收所有白色标记的对象。

虽然上述过程可以扫描并发流程，但为了GC过程中保证数据安全，开始扫描前仍会加上STW，扫描确定黑白对象后再放开STW。

3. 屏障机制

在GC过程中，如果不考虑STW，则可能会出现下面的情况：

• 一个白色对象被黑色对象引用；
• 灰色对象与该白色对象的可达关系被破坏。

如果同时出现上述两个条件，就会出现对象丢失现象。为了防止这种现象发生，最简单的方式就是STW，那么如何减少STW时间呢？

3.1 强-弱三色不变式

GC回收过程中，满足强、弱三色不变式之一，就可保证对象不丢失。

• 强三色不变式

强制性不允许黑色对象引用白色对象，这样就不会出现白色对象误删情况。

• 弱三色不变式

所有被黑色对象引用的白色对象都处于灰色保护状态。

黑色对象可以引用白色对象，但要求白色对象存在其他灰色对象对他的引用，或者可达他的链路上游存在灰色对象。

3.2 插入屏障

在黑色A对象引用白色B对象的时候，白色B对象被标记为灰色，这样就满足强三色不变式了。（即不存在黑色对象引用白色对象的情况，因为白色对象会强制变成灰色）。

黑色对象的内存槽分为了堆和栈两种。栈空间特点是容量小但要求响应速度快，因为函数调用弹出频繁使用，所以栈空间的对象操作不使用插入屏障。

• 最开始，全部为白色对象。

• 遍历标记过程中，由于并发特性，外界向黑色对象4添加白色对象8、黑色对象1添加白色对象9，因为黑色对象4在堆区，即将触发插入屏障机制，黑色对象1不触发。

• 由于插入屏障，白色对象8变为灰色，白色对象9依然是白色。

由于栈上没有启动插入屏障。所以扫描结束后，要对栈重新进行三色标记扫描，并且启动STW直到扫描结束。

最后将堆栈空间扫描后剩余的白色节点回收。

3.3 删除屏障

被删除的对象，如果自身为灰色或者白色，那么被标记为灰色。满足了弱三色不变式，(即保护灰色对象到白色对象的路径不会断)。

• 初始时，全部为白色对象

• 灰色对象1删除白色对象5，如果不触发删除屏障，白色对象5、2、3与主链路断开，最后均会被清除。

• 触发删除屏障，被删除的白色对象5，自身被标记为灰色。

• 继续遍历，直到没有灰色对象。

这种方式回收精度低，一个对象即使被删除了，最后一个指向它的指针依旧可以活过这一轮，在下一轮GC中被清理掉。

4. Go V1.8的混合写屏障机制

插入写屏障和删除写屏障的缺陷：

• 插入写屏障：结束时需要STW来重新扫描栈，标记栈上引用的白色对象的存活。
• 删除写屏障：回收精度低，GC开始时STW扫描堆栈来记录初始快照，这个过程会保护开始时刻的所有存活对象。

混合写屏障机制如下：

1. GC开始时扫描栈上全部可达对象并标记为黑色（之后不再进行第二次重复扫描，无需STW）
2. GC期间，任何在栈上创建的新对象，均为黑色，不使用屏障机制。
3. 堆空间使用屏障机制，添加、删除引用的对象标记为灰色。

满足变形的弱三色不变式。

• GC开始时，全部都是白色；优先扫描全部栈对象，并标记全部可达对象为黑色。

4.1 场景1

对象被一个堆对象删除引用，称为栈对象的下游

• 将白色对象7添加到黑色对象1下游，因为栈不启动写屏障，所以直接挂下面。
• 灰色对象4删除白色对象7的引用关系，因为灰色对象4在堆区，触发写屏障，标记被删除白色对象7为灰色。

4.2 场景2

对象被一个栈对象删除引用，称为另一个栈对象的下游

• 新创建一个对象9在栈上，混合写屏障模式下， 会被直接标记为黑色。
• 黑色对象9添加下游引用栈黑色对象3，（直接添加，栈不启动屏障机制）
• 黑色对象2删除黑色对象3的引用（直接删除，栈不启动屏障机制）

4.3 场景3

对象被一个堆对象删除引用，成为另一个堆对象的下游

• 堆中对象10已经被扫描标注为黑色（黑色更特殊，其他颜色不讨论）
• 堆中黑色对象10添加下游引用堆中白色对象7，触发屏障机制，白色对象7变为灰色
• 堆中灰色对象4删除下游引用堆中白色对象7，触发屏障机制，被删除对象变为灰色

4.4 场景4

对象从一个栈对象删除引用，成为另一个堆对象的下游

• 栈中对象1删除对栈中对象2的引用，栈空间不触发屏障机制

• 堆中灰色对象4将之前引用的白色对象7的关系，转移到黑色对象2；在删除对象7的引用时，触发屏障机制，对象7变为灰色。

5. GC触发的条件

GC触发分为手动触发和系统触发两种方式。

Golang内部所有GC都是通过gcStart()函数，然后指定一个gcTrigger参数开始的，手动触发指定的条件值为gcTriggerCycle。另外还有两种值分别为gcTriggerHeap和gcTriggerTime。

• gcTriggerHeap 当前分配的内存达到一定阈值时触发，这个阈值在每次GC过后都会根据堆内存的增长情况和CPU占用率来调整。
• gcTriggerTime 自从上次GC后间隔时间达到了runtime.forcegcperiod 时间（默认为2分钟），将启动GC；
• gcTriggerCycle 如果当前没有开启垃圾收集，则启动GC；

满足上诉三个条件之一就会触发GC。