golang gc 原理和内存分配

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关于 Golang GC 和内存管理相关的流程和原理的一些总结。

GC 流程

golang GC 采用基于标记-清除的三色标记法，下图为 golang 一轮完整的 GC 的过程：

一轮完整的 GC，总是从 Off，如果不是 Off 状态，则代表上一轮GC还未完成，如果这时修改指针的值，是直接修改的。

Stack scan: 收集根对象（全局变量和 goroutine 栈上的变量），该阶段会开启写屏障(Write Barrier)。

Mark: 标记对象，直到标记完所有根对象和根对象可达对象。此时写屏障会记录所有指针的更改(通过 mutator)。

Mark Termination: 重新扫描部分全局变量和发生更改的栈变量，完成标记，该阶段会STW(Stop The World)，也是 gc 时造成 go 程序停顿的主要阶段。

Sweep: 并发的清除未标记的对象。

三色标记

以上 Mark 阶段，采用的是三色标记法，是传统标记-清除算法的一种优化，主要思想是增加了一种中间状态，即灰色对象，以减少 STW 时间。
三色标记将对象分为黑色、白色、灰色三种：

• 黑色：已标记的对象，表示对象是根对象可达的。
• 白色：未标记对象，gc开始时所有对象为白色，当gc结束时，如果仍为白色，说明对象不可达，在 sweep 阶段会被清除。
• 灰色：被黑色对象引用到的对象，但其引用的自对象还未被扫描，灰色为标记过程的中间状态，当灰色对象全部被标记完成代表本次标记阶段结束。

三色标记的主要过程即：

1. 开始时所有对象为白色
2. 将所有根对象标记为灰色，放入队列
3. 遍历灰色对象，将其标记为黑色，并将他们引用的对象标记为灰色，放入队列
4. 重复步骤 3 持续遍历灰色对象，直至队列为空
5. 此时只剩下黑色对象和白色对象，白色对象即为下一步需要清除的对象

STW

传统的标记-清除算法，为了防止在标记过程中，对象引用发生变化，导致清除仍在使用的对象，需要 STW(Stop The World)，这会造成程序的停顿。在三色标记的过程中，由于引入了灰色对象这一中间状态，标记过程和用户的 golang 代码中可以并发执行，不需要 STW，这极大的减少了应用的停顿时间。
三色标记具体如何避免在标记过程中对象应用的改变呢，这里用到了写屏障(Write Barrier)。

写屏障

在 GC 的流程中，Stack scan 这一步骤，启用了写屏障。写屏障的主要思想，是在标记的过程中，通过写屏障记录发生变化的指针，然后在 Mark termination 的 rescan 过程中，重新进行扫描，因为在这一步骤会 STW，所以在这一步骤完成后的白色对象，不会再被引用，可以直接清除。关于写屏障具体原理和实现，这里不再展开。

GC触发

golang 程序的执行过程中，如下几种情况下会触发 GC:

• 主动触发，用户代码中调用 runtime.GC 会主动触发 GC
• 默认每 2min 未产生 GC 时，golang 的守护协程 sysmon 会强制触发 GC
• 当 go 程序分配的内存增长超过阈值时，会触发 GC

内存分配

golang 内存分配分为堆内存和栈内存。
栈：一般函数内部执行中声明的变量，函数返回直接释放，不会引起垃圾回收，对性能无影响。
堆：有引用到的内存空间，靠 GC 回收，会影响程序进程。

内存逃逸

逃逸分析是指由编译器决定内存分配的位置，不需要程序员指定。即由编译器决定新申请的对象会分配到堆上还是栈上。
逃逸分析场景：

1. 指针逃逸
   go 将函数内定义的变量返回到函数外，会将本应分配到栈上的内存分配到堆上。
2. 栈空间不足逃逸
   当栈空间不足或无法判断当前切片长度时会将对象分配到堆上。
3. 动态类型逃逸
   当函数参数为 interface 类型，编译期间无法确定参数的具体类型，也可能会产生逃逸。

参考列表