浅析 golang 垃圾回收机制

介绍 Golang 的垃圾回收机制

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作者 guoxudong 发表于 2020年10月16日 更新于 2024年5月6日

前言

Google 搜索 Golang GC 排名靠前的文章都讲的不错，从设计到实现，从演进到源码，一应俱全。但是庞杂的信息会给人一种恐惧感，让人望而却步。本文尝试使用较为简单易懂的语言和图像，讲解 Golang 的垃圾回收机制。

垃圾回收算法

目前比较常见的垃圾回收算法有三种：

  1. 引用计数：为每个对象维护一个引用计数，当引用该对象的对象销毁时，引用计数 -1，当对象引用计数为 0 时回收该对象。

    • 代表语言：Python、PHP、Swift
    • 优点：对象回收快，不会出现内存耗尽或达到某个阈值时才回收。
    • 缺点：不能很好的处理循环引用，而实时维护引用计数也是有损耗的。

  2. 标记-清除：从根变量开始遍历所有引用的对象，标记引用的对象，没有被标记的进行回收。

    • 代表语言：Golang（三色标记法）
    • 优点：解决了引用计数的缺点。
    • 缺点：需要 STW，暂时停掉程序运行。

  3. 分代收集：按照对象生命周期长短划分不同的代空间，生命周期长的放入老年代，短的放入新生代，不同代有不同的回收算法和回收频率。

    • 代表语言：Java
    • 优点：回收性能好
    • 缺点：算法复杂

Golang 垃圾回收

跳过原理，我们先来介绍 Golang 的三色标记法。

三色标记法

三色标记法只是为了叙述方便而抽象出来的一种说法，实际上的对象是没有三色之分的。这里的三色，对应了垃圾回收过程中对象的三种状态：

  • 灰色：对象还在标记队列中等待
  • 黑色：对象已被标记，gcmarkBits 对应位为 1 – 该对象不会在本次 GC 中被回收
  • 白色：对象未被标记，gcmarkBits 对应位为 0 – 该对象将会在本次 GC 中被清理

具体流程如下图：

三色标记法

回收原理

通过上图，应该对三色标记法有了一个比较直观的了解，那么我们现在来讲讲原理。简单的讲，就是标记内存中那些还在使用中（即被引用了）的部分，而内存中不再使用（即未被引用）的部分，就是要回收的垃圾，需要将其回收，以供后续内存分配使用。上图中的 A、B、D 就是被引用正在使用的内存，而C、F、E 曾经被使用过，但现在没有任何对象引用，就需要被回收掉。

而 Root 区域主要是程序运行到当前时刻的栈和全局数据区域，是实时正在使用到的内存，当然应该优先标记。而考虑到内存块中存放的可能是指针，所以还需要递归的进行标记，待全部标记完后，就会对未被标记的内存进行回收。

内存标记

golang 中采用 span 数据结构管理内存，span 中维护了一个个内存块，并由一个位图 allocBits 表示内存块的分配情况，而上文中提到的 gcmarkBits 是记录每块内存块被引用情况的。

内存标记

如上图，allocBits 记录了每块内存的分配情况，而 gcmarkBits 记录了每块内存的标记情况。在标记阶段会对每块内存进行标记，有对象引用的内存标记为 1，没有对象引用的为 0。而 allocBits 和 gcmarkBits 的数据结构是完全一样的，在结束标记后，将 allocBits 指向 gcmarkBits，则有标记的才是存活的，这样就完成了内存回收。而 gcmarkBits 则会在下次标记时重新分配内存。

垃圾回收优化

在前文中提到，golang 的垃圾回收算法属于 标记-清除，是需要 STW 的。STW 就是 Stop The World 的意思，在 golang 中就是要停掉所有的 goroutine，专心进行垃圾回收，待垃圾回收结束后再恢复 goroutine。而 STW 时间的长短直接影响了应用的执行，如果时间过长，那将是灾难性的。为了缩短 STW 时间，golang 不对优化垃圾回收算法，其中写屏障（Write Barrier）和辅助GC（Mutator Assist）就是两种优化垃圾回收的方法。

  • 写屏障（Write Barrier）：上面说到的 STW 的目的是防止 GC 扫描时内存变化引起的混乱，而写屏障就是让 goroutine 与 GC 同时运行的手段，虽然不能完全消除 STW，但是可以大大减少 STW 的时间。写屏障在 GC 的特定时间开启，开启后指针传递时会把指针标记，即本轮不回收，下次 GC 时再确定。

  • 辅助 GC（Mutator Assist）：为了防止内存分配过快，在 GC 执行过程中，GC 过程中 mutator 线程会并发运行，而 mutator assist 机制会协助 GC 做一部分的工作。

垃圾回收触发机制

  1. 内存分配量达到阈值：每次内存分配都会检查当前内存分配量是否达到阈值，如果达到阈值则触发 GC。阈值 = 上次 GC 内存分配量 * 内存增长率，内存增长率由环境变量 GOGC 控制，默认为 100，即每当内存扩大一倍时启动 GC。
  2. 定时触发 GC：默认情况下，2分钟触发一次 GC，该间隔由 src/runtime/proc.go 中的 forcegcperiod 声明。
  3. 手动触发 GC：在代码中，可通过使用 runtime.GC() 手动触发 GC。

GC 优化建议

由上文可知，GC 性能是与对象数量有关的，对象越多 GC 性能越差，对程序的影响也越大。所以在开发中要尽量减少对象分配个数，采用对象复用、将小对象组合成大对象或采用小数据类型（如使用 int8 代替 int）等。

结语

一门编程语言的垃圾回收机制会直接影响使用其开发应用的性能。在日常开发工作中也因注意到其作用，有助于开发出高性能的应用，这也是 GC 常常在面试中被问到的原因。同时，了解 GC 对了解内存管理也很有帮助。

参考

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