【Golang】 关于Go语言垃圾回收的历史进程

垃圾回收历史进程

一、为什么选择标记清除

1、判断对象存活的思路

在 GC 领域里，判断对象存活的主流思路是两个，「引用计数」和「可达性分析」。

2、引用计数

顾名思义，引用计数的思路就是给每个对象进行计数，每被其它对象引用一次，计数就 +1，引用失效后，计数就 -1。当计数器的数值为 0，就意味着它没有被使用，可以回收。

但是引用计数法有个缺陷就是不能解决循环引用的问题。循环引用是指对象 A 和对象 B 互相持有对方的引用。这样两个对象的引用计数都不是 0 ，因此永远不能被收集。另外的缺陷是，每次对象的赋值都要将引用计数加一，增加了消耗。

但是它也并不是一无是处，它的回收实时性效果更好，可以配合「可达性分析」一起使用，发挥各自的优点，在不同的场景下使用不同的策略。

3、可达性分析

可达性分析的思路就是通过引用链路判断对象是否可被触达，如果能触达说明该对象当前正在被使用，不可回收；反之，没有触达到的对象则认为是无使用的，可以回收。这个引用链路的结构类似于有向有环图，但是根节点不止一个，是一个集合，称之为 GCRoots。

目前主流的 GC 机制大多用的是「可达性分析」这条路线。Go、Java、.Net等都是如此。

由于「可达性分析」思路是主流，所以后续发展出来的很多回收算法都以这个思路为基础的，三色标记法就是其中之一。我们今天主要来聊聊它。

4、分代收集

分代收集也是传统 Mark-Sweep 的一个改进。这个算法是基于一个经验：绝大多数对象的生命周期都很短。所以按照对象的生命周期长短来进行分代。

一般 GC 都会分三代，在 java 中称之为新生代（Young Generation）、年老代（Tenured Generation）和永久代（Permanent Generation）；在 .NET 中称之为第 0 代、第 1 代和第2代。

原理如下：

• 新对象放入第 0 代
• 当内存用量超过一个较小的阈值时，触发 0 代收集
• 第 0 代幸存的对象（未被收集）放入第 1 代
• 只有当内存用量超过一个较高的阈值时，才会触发 1 代收集
• 2 代同理

因为 0 代中的对象十分少，所以每次收集时遍历都会非常快（比 1 代收集快几个数量级）。只有内存消耗过于大的时候才会触发较慢的 1 代和 2 代收集。

因此，分代收集是目前比较好的垃圾回收方式。使用的语言（平台）有 jvm、.NET 。

为什么没有用分代回收，因为golang 的编译器会通过逃逸分析将大部分新生对象存储栈上（栈直接被回收）

二、Golang v1.3前：标记清除法

GoV1.3之前的标记清除： mark and sweep

1. 暂停程序业务逻辑STW(stop the world), 分类出可达和不可达的对象，然后做上标记。

2. 程序找出它所有可达的对象，并做上标记。

3. 清除未标记的对象。（对象5，6不可达，被GC清除）

4. 停止暂停，让程序继续跑。然后循环重复这个过程，直到process程序生命周期结束。

注意：mark and sweep算法在执行的时候，需要程序暂停！即 STW(stop the world)，STW的过程中，CPU不执行用户代码，全部用于垃圾回收，这个过程的影响很大，所以STW也是一些回收机制最大的难题和希望优化的点。所以在执行第三步的这段时间，程序会暂定停止任何工作，卡在那等待回收执行完毕。

mark and sweep的缺点：

1. STW，stop the world；让程序暂停，程序出现卡顿 (重要)；

2. 标记需要扫描整个heap（堆）；

3. 清除数据会产生heap碎片。

三、Golang v1.3 ：标记清除进行步骤提前

标记清除逻辑：

• 从程序的根对象出发，对于可达的对象进行标记

• 对未能标记的对象进行删除

STW的步骤提前了一步，因为在Sweep清除的时候，可以不需要STW停止，因为这些对象已经是不可达对象了，不会出现回收写冲突等问题。但是无论怎么优化，Go V1.3都面临这个一个重要问题，就是mark-and-sweep 算法会暂停整个程序 。

四、Golang v1.5 : 三色并发标记清除进行垃圾回收

1、为什么要把标记清除优化为三色并发标记？

因为可以降低stw的时间，提高效率

2、三色标记清除法示意图和流程描述

第一步：所有对象标记为白色

第二步：每次GC开始就从根节点开始进行遍历，把遍历到的数据放入到灰色标记表

第三步：继续遍历灰色节点，把灰色对象引用的白色对象放入灰色对象，之后将灰色对象放入黑色集合

第四步：重复第三步，直到灰色中无任何对象

第五步：回收白色标记表中的对象

3、怎么解决stw时间过长的问题？

3.1、stw是什么？

是stop the world的缩写，可以理解为触发stw后整个程序会停止运行，如果不启动stw会怎么样？在三色标记回收的过程中，一个白色对象被黑色对象引用了 且 该白色对象上游没有被任何灰色对象引用 ，但是我们不会再去遍历黑色对象表，导致该白色对象被错误的回收，造成对象丢失

结论：在没有stw的情况下导致错误的回收，导致对象丢失

3.2、怎么解决尽量让stw时间短，又保证gc可用，不会出现对象丢失的情况？

强三色不变式：不存在黑色对象引用到白色对象的指针

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

解决思路：只要保证强三色不变式或者弱三色不变式中成立一个，就可以保证不会丢失对象

解决办法：

A、插入写屏障：如果黑色的 A 对象引用 白色的B对象，则B对象标记为灰色

问题：由于栈特点是容量小，速度快，所以插入屏障在栈空间中不使用，而仅仅在堆空间中使用，所以可能出现栈上发生 白色对象 被 黑色对象引用 的可能解决办法：堆上三色标记清理完后，对栈启动stw（相比对堆进行stw，这里时间会很短），然后再做一遍三色标记清除

B、删除写屏障：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，则这轮不会被回收，要到下轮才可能会被回收

3.3、总结插入写屏障和删除写屏障的短板

A、插入写屏障：结束后需要stw来重新扫描栈，标记栈上引用的白色对象是否真的存活

B、’删除写屏障：回收精度低，会延迟一轮回收

五、golang v1.8 : 三色标记清除-混合写屏障

1、GC开始将栈上的对象全部扫描并标记为黑色(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

3、被删除的对象标记为灰色。

4、被添加的对象标记为灰色。

优点：避免了re-scan，极大的减少了stw的时间

满足条件：变形的弱三色不变式

分析

第一步：相当于栈上的删除写屏障：保证了不会原来被栈引用的栈对象被删除引用后，又被其他栈上对象引用，但是由于没有删除写屏障却被回收

第二步：相当于栈上的插入写屏障：保证了栈上新加对象不会由于没有写入屏障，从而被删除引用的时候被错误回收

第三步：满足删除写屏障

第四步：满足插入写屏障

六、总结

GoV1.3- 普通标记清除法，整体过程需要启动STW，效率极低。

GoV1.5- 三色标记法， 堆空间启动写屏障，栈空间不启动，全部扫描之后，需要重新扫描一次栈(需要STW)，效率普通

GoV1.8-三色标记法，混合写屏障机制， 栈空间不启动，堆空间启动。整个过程几乎不需要STW，效率较高。

参考文章

https://www.cnblogs.com/cxy2020/p/16321884.html