golang中的gc原理是什么

今天小編給大家分享一下golang中的gc原理是什么的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，內(nèi)容詳細(xì)，邏輯清晰，相信大部分人都還太了解這方面的知識(shí)，所以分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后有所收獲，下面我們一起來了解一下吧。

gc出現(xiàn)

對于任何使用C語言的人，如果問他們C語言的最大煩惱是什么，其中許多人可能會(huì)回答說是指針和內(nèi)存泄漏。以致于后出現(xiàn)的語言，都在幫助程序員來處理內(nèi)存泄漏的問題，比較有名的語言java、python、go等等，都有一個(gè)比較重要的機(jī)制，那就是gc(Garbage Collection)，也就是垃圾收集器。當(dāng)然這也是得意于這些語言的特質(zhì)，它們在運(yùn)行的時(shí)候，都有一個(gè)諸如golang中runtime的機(jī)制，java中有jvm來管理。程序員不再需要考慮，我什么時(shí)候應(yīng)該分配內(nèi)存，什么時(shí)候應(yīng)該回收內(nèi)存。如果是從c語言開始學(xué)習(xí)編程的，應(yīng)該對malloc和free非常熟悉，再寫代碼的時(shí)候回小心翼翼的使用這兩個(gè)函數(shù)。如果是學(xué)python的，根本就不會(huì)注意到這個(gè)問題，有不會(huì)關(guān)心這個(gè)方面的問題。比較值得說明的是，在c語言中使用char列表來存儲(chǔ)字符串，是一件非常麻煩的事情，在java等但是，就算如此，在日常的寫程序的過程中，程序員也應(yīng)該注意gc方面的問題。一個(gè)比較差的設(shè)計(jì)，可能使得gc對于整個(gè)程序的負(fù)擔(dān)非常的大，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)程序中g(shù)c的時(shí)間占比非常高。

gc的原理

gc常見的方式有：

引用計(jì)數(shù)（reference counting）每個(gè)對象維護(hù)一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，當(dāng)引用該對象的對象被銷毀或者更新的時(shí)候，被引用對象的引用計(jì)數(shù)器自動(dòng)減 1，當(dāng)被應(yīng)用的對象被創(chuàng)建，或者賦值給其他對象時(shí)，引用 +1，引用為 0 的時(shí)候回收，思路簡單，但是頻繁更新引用計(jì)數(shù)器降低性能，存在循環(huán)以引用（php，Python所使用的）

標(biāo)記清除（mark and sweep）就是 golang 所使用的，從根變量來時(shí)遍歷所有被引用對象，標(biāo)記之后進(jìn)行清除操作，對未標(biāo)記對象進(jìn)行回收，缺點(diǎn)：每次垃圾回收的時(shí)候都會(huì)暫停所有的正常運(yùn)行的代碼，系統(tǒng)的響應(yīng)能力會(huì)大大降低，各種 mark&swamp 變種（三色標(biāo)記法），緩解性能問題。

分代搜集（generation）jvm 就使用的分代回收的思路。在面向?qū)ο?span id="t11u6ca" class="wp_keywordlink">編程語言中，絕大多數(shù)對象的生命周期都非常短。分代收集的基本思想是，將堆劃分為兩個(gè)或多個(gè)稱為代（generation）的空間。新創(chuàng)建的對象存放在稱為新生代（young generation）中（一般來說，新生代的大小會(huì)比 老年代小很多），隨著垃圾回收的重復(fù)執(zhí)行，生命周期較長的對象會(huì)被提升（promotion）到老年代中（這里用到了一個(gè)分類的思路，這個(gè)是也是科學(xué)思考的一個(gè)基本思路）。

golang中的gc原理

go1.3以前gc最大的問題在于stw(stop the word)，即在gc的時(shí)候需要暫停程序行為，然后進(jìn)標(biāo)記，最后將未標(biāo)記的垃圾清除。如果頻繁的觸發(fā)gc的話，程序的運(yùn)行就一卡一卡的。其基本的思路就是：

1.標(biāo)記：在內(nèi)存堆中（由于有的時(shí)候管理內(nèi)存頁的時(shí)候要用到堆的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以稱為堆內(nèi)存）存儲(chǔ)著有一系列的對象，這些對象可能會(huì)與其他對象有關(guān)聯(lián)（references between these objects） a tracing garbage collector 會(huì)在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上停止原本正在運(yùn)行的程序，之后它會(huì)掃描 runtim e已經(jīng)知道的的 object 集合（already known set of objects），通常它們是存在于 stack 中的全局變量以及各種對象。gc 會(huì)對這些對象進(jìn)行標(biāo)記，將這些對象的狀態(tài)標(biāo)記為可達(dá)，從中找出所有的，從當(dāng)前的這些對象可以達(dá)到其他地方的對象的 reference，并且將這些對象也標(biāo)記為可達(dá)的對象，這個(gè)步驟被稱為 mark phase，即標(biāo)記階段，這一步的主要目的是用于獲取這些對象的狀態(tài)信息。

2.回收：一旦將所有的這些對象都掃描完，gc 就會(huì)獲取到所有的無法 reach 的對象（狀態(tài)為 unreachable 的對象），并且將它們回收，這一步稱為 sweep phase，即是清掃階段。

3.清除：gc 僅僅搜集那些未被標(biāo)記為可達(dá)（reachable）的對象。如果 gc 沒有識(shí)別出一個(gè) reference，最后有可能會(huì)將一個(gè)仍然在使用的對象給回收掉，就引起了程序運(yùn)行錯(cuò)誤。

go在1.3的時(shí)候引入了并發(fā)清理，go team 自己的說法是減少了 50%-70% 的暫停時(shí)間。
go在1.5時(shí)候使用了三色標(biāo)記法，這個(gè)是標(biāo)記清除算法的一個(gè)升級(jí)變種。流程如下：

1.灰色：對象已被標(biāo)記，但這個(gè)對象包含的子對象未標(biāo)記

2.黑色：對象已被標(biāo)記，且這個(gè)對象包含的子對象也已標(biāo)記，gcmarkBits對應(yīng)的位為1（該對象不會(huì)在本次GC中被清理）

3.白色：對象未被標(biāo)記，gcmarkBits對應(yīng)的位為0（該對象將會(huì)在本次GC中被清理）

例如，當(dāng)前內(nèi)存中有A~F一共6個(gè)對象，根對象a,b本身為棧上分配的局部變量，根對象a、b分別引用了對象A、B, 而B對象又引用了對象D，則GC開始前各對象的狀態(tài)如下圖所示:

1.初始狀態(tài)下所有對象都是白色的。

2.接著開始掃描根對象a、b; 由于根對象引用了對象A、B,那么A、B變?yōu)榛疑珜ο螅酉聛砭烷_始分析灰色對象，分析A時(shí)，A沒有引用其他對象很快就轉(zhuǎn)入黑色，B引用了D，則B轉(zhuǎn)入黑色的同時(shí)還需要將D轉(zhuǎn)為灰色，進(jìn)行接下來的分析。

3.灰色對象只有D，由于D沒有引用其他對象，所以D轉(zhuǎn)入黑色。標(biāo)記過程結(jié)束

4.最終，黑色的對象會(huì)被保留下來，白色對象會(huì)被回收掉。

go中的gc過程

GO的GC是并行GC, 也就是GC的大部分處理和普通的go代碼是同時(shí)運(yùn)行的, 這讓GO的GC流程比較復(fù)雜。

1.Stack scan：Collect pointers from globals and goroutine stacks。收集根對象（全局變量，和G stack），開啟寫屏障。全局變量、開啟寫屏障需要STW，G stack只需要停止該G就好，時(shí)間比較少。

2.Mark: Mark objects and follow pointers。標(biāo)記所有根對象, 和根對象可以到達(dá)的所有對象不被回收。

3.Mark Termination: Rescan globals/changed stack, finish mark。重新掃描全局變量，和上一輪改變的stack（寫屏障），完成標(biāo)記工作。這個(gè)過程需要STW。

4.Sweep: 按標(biāo)記結(jié)果清掃span

從1.8以后的golang將第一步的stop the world 也取消了，這又是一次優(yōu)化；1.9開始, 寫屏障的實(shí)現(xiàn)使用了Hybrid Write Barrier, 大幅減少了第二次STW的時(shí)間.
因?yàn)間o支持并行GC, GC的掃描和go代碼可以同時(shí)運(yùn)行, 這樣帶來的問題是GC掃描的過程中g(shù)o代碼有可能改變了對象的依賴樹。
例如開始掃描時(shí)發(fā)現(xiàn)根對象A和B, B擁有C的指針。

1.GC先掃描A，A放入黑色

2.B把C的指針交給A

3.GC再掃描B，B放入黑色

4.C在白色，會(huì)回收；但是A其實(shí)引用了C。

為了避免這個(gè)問題, go在GC的標(biāo)記階段會(huì)啟用寫屏障(Write Barrier)。啟用了寫屏障(Write Barrier)后，在GC第三輪rescan階段，根據(jù)寫屏障標(biāo)記將C放入灰色，防止C丟失。

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