go語言中垃圾回收機制的原理是什么

今天就跟大家聊聊有關go語言中垃圾回收機制的原理是什么，可能很多人都不太了解，為了讓大家更加了解，小編給大家總結了以下內(nèi)容，希望大家根據(jù)這篇文章可以有所收獲。

基本概念

• 內(nèi)存管理：內(nèi)存管理對于編程語言至關重要。匯編允許你操作所有東西，或者說要求你必須全權處理所有細節(jié)更合適。C 語言中雖然標準庫函數(shù)提供一些內(nèi)存管理支持，但是對于之前調(diào)用 malloc 申請的內(nèi)存，還是依賴于你親自 free 掉。從C++、Python、Swift 和 Java 開始，才在不同程度上支持內(nèi)存管理。

• 內(nèi)存壓縮：對內(nèi)存碎片進行壓縮。（和win10的那個“內(nèi)存壓縮”不太一樣啦）

• win10內(nèi)存壓縮：物理內(nèi)存已經(jīng)見底，將一部分不常使用的內(nèi)存數(shù)據(jù)打包壓縮起來，等到有程序需要訪問那些數(shù)據(jù)的時候，再解壓縮出來。

• 引用與指針：

  這是非常有害的，毫無疑問。結果將是不確定的（編譯器能產(chǎn)生一些輸出，導致任何事情都有可能發(fā)生），應該躲開寫出這樣代碼的人除非他們同意改正錯誤。如果你擔心這樣的代碼會出現(xiàn)在你的軟件里，那么你最好完全避免使用引用，要不然就去讓更優(yōu)秀的程序員去做。

1. 最后上附圖，幫助理解
   

1. 引用被創(chuàng)建的同時必須被初始化（指針則可以在任何時候被初始化）。

2. 不能有NULL 引用，引用必須與合法的存儲單元關聯(lián)（指針則可以是NULL）。

3. 一旦引用被初始化，就不能改變引用的關系（指針則可以隨時改變所指的對象）。

4. 引用只是某塊內(nèi)存的別名。

5. 實際上“引用”可以做的任何事情“指針”也都能夠做，為什么還要“引用” 這東西？ 答案是“用適當?shù)墓ぞ咦銮∪缙浞值墓ぷ鳌薄１热缯f，某人需要一份證明，本來在文件上蓋                上公章的印子就行了，如果把取公章的鑰匙交給他，那么他就獲得了不該有的權利。（什么情況下，就用什么對策）

6. 為什么還要說“只有指針，沒有引用是一個重要改變？”？答案是雖然引用在某些情況下好用，但他也會導致致命錯誤。如下：

   char *pc = 0; // 設置指針為空值 char& rc = *pc; // 讓引用指向空值

堆（heap）和棧（stack）

1. 平常說的“堆?！逼鋵嵤菞！?/p>

2. 棧，就是那些由編譯器在需要的時候分配，在不需要的時候自動清除的變量的存儲區(qū)。里面的變量通常是局部變量、函數(shù)參數(shù)等。

3. 堆，就是那些由new分配的內(nèi)存塊，他們的釋放編譯器不去管，由我們的應用程序去控    制，一般一個new就要對應一個delete。如果程序員沒有釋放掉，那么在程序結束后，操作系統(tǒng)會自動回收。

程序的棧結構2.臨時變量：包括函數(shù)的非靜態(tài)局部變量以及編譯器自動生成的其它臨時變量  3.保存的上下文：包括在函數(shù)調(diào)用前后需要保存不變的寄存器值1.返回地址:一個main函數(shù)中斷執(zhí)行的執(zhí)行點.  2.ebp:指向函數(shù)活動記錄的一個固定位置，ebp又被稱為幀指針.固定位置是，這樣在函數(shù)返回的時候，ebp就可以通過這個恢復到調(diào)用前的值。  3.esp始終指向棧頂，因此隨著函數(shù)的執(zhí)行，它總是變化的。  4.入棧順序：先壓此次調(diào)用函數(shù)參數(shù)入棧，接著是main函數(shù)返回地址，然后是ebp等寄存器。

1. Link：C程序的函數(shù)棧作用機理（這個講得好，有實例，所以不再熬述）

1. 就是它，先上圖
   ]

1. 程序的地址空間布局： 程序運行靠四個東西：代碼、棧、堆、數(shù)據(jù)段。代碼段主要存放的就是可執(zhí)行文件(通?？蓤?zhí)行文件內(nèi)，含有以二進制編碼的微處理器指令，也因此可執(zhí)行文件有時稱為二進制文件)中的代碼；數(shù)據(jù)段存放的就是程序中全局變量和靜態(tài)變量；堆中是程序的動態(tài)內(nèi)存區(qū)域，當程序使用malloc或new得到的內(nèi)存是來自堆的；棧中維護的是函數(shù)調(diào)用的上下文，離開了棧就不可能實現(xiàn)函數(shù)的調(diào)用。

2. 棧幀： 也叫活動記錄，保存的是一個函數(shù)調(diào)用所需要維護的所有信息。如下：  1.函數(shù)的返回地址和參數(shù)

這里我們對比了解不同的 “找到需要標記的對象”的方法

可回收對象的判定

• 引用計數(shù)法

給對象中添加一個引用計數(shù)器，每當有一個地方引用它時，計數(shù)器值就加1；當引用失效時，   計數(shù)器值就減1；任何時刻計數(shù)器為0的對象就是不可能再被使用的。如下圖所示：

優(yōu)點：引用計數(shù)收集器可以很快地執(zhí)行，交織在程序的運行之中。這個特性對于程序不能被長時間打斷的實時環(huán)境很有利。
缺點：很難處理循環(huán)引用，比如圖中相互引用的兩個對象則無法釋放。
應用：Python 和 Swift 采用引用計數(shù)方案。

• 可達性分析算法（根搜索算法）

從GC Roots（每種具體實現(xiàn)對GC Roots有不同的定義）作為起點，向下搜索它們引用的對象，可以生成一棵引用樹，樹的節(jié)點視為可達對象，反之視為不可達。如下圖所示：

• 接下來補充幾個概念幫助理解（以java為例）：

1. GC Roots對象：

   虛擬機棧（幀棧中的本地變量表）中引用的對象。
   方法區(qū)中靜態(tài)屬性引用的對象。
   方法區(qū)中常量引用的對象。
   本地方法棧中JNI引用的對象。
   
   本地方法棧則為虛擬機所使用的Native方法服務。
   Native方法是指本地方法，當在方法中調(diào)用一些不是由java語言寫的代碼或者在方法中用java語言直接操縱計算機硬件。
   JNI：Java Native Interface縮寫，允許Java代碼和其他語言寫的代碼進行交互。

   上述如圖，關于root區(qū)域的詳細解釋參考這里

這里我們介紹幾種不同的 “標記對象”的方法

可回收對象的標記

• 保守法將所有堆上對齊的字都認為是指針，那么有些數(shù)據(jù)就會被誤認為是指針。于是某些實際是數(shù)字的假指針，會背誤認為指向活躍對象，導致內(nèi)存泄露（假指針指向的對象可能是死對象，但依舊有指針指向——這個假指針指向它）同時我們不能移動任何內(nèi)存區(qū)域。

• 編譯器提示法如果是靜態(tài)語言，編譯器能夠告訴我們每個類當中指針的具體位置，而一旦我們知道對象時哪個類實例化得到的，就能知道對象中所有指針。這是JVM實現(xiàn)垃圾回收的方式，但這種方式并不適合JS這樣的動態(tài)語言

• 標記指針法標記指針法：這種方法需要在每個字末位預留一位來標記這個字段是指針還是數(shù)據(jù)。這種方法需要編譯器支持，但實現(xiàn)簡單，而且性能不錯。V8采用的是這種方式。

• 位圖標記(Go語言為例)

1. 非侵入式標記位定義
     既然垃圾回收算法要求給對象加上垃圾回收的標記，顯然是需要有標記位的。一般的做法
     會將對象結構體中加上一個標記域，一些優(yōu)化的做法會利用對象指針的低位進行標記，這
     都只是些奇技淫巧罷了。Go沒有這么做，它的對象和C的結構體對象完全一致，使用的是
     非侵入式的標記位。

2. 具體實現(xiàn)
     堆區(qū)域?qū)艘粋€標記位圖區(qū)域，堆中每個字(不是byte，而是word)都會在標記位區(qū)域
     中有對應的標記位。每個機器字(32位或64位)會對應4位的標記位。因此，64位系統(tǒng)中
     相當于每個標記位圖的字節(jié)對應16個堆中的字節(jié)。

   雖然是一個堆字節(jié)對應4位標記位，但標記位圖區(qū)域的內(nèi)存布局并不是按4位一組，而是
     16個堆字節(jié)為一組，將它們的標記位信息打包存儲的。每組64位的標記位圖從上到下依
     次包括：

   16位的 特殊位 標記位
   16位的 垃圾回收 標記位
   16位的 無指針/塊邊界 的標記位
   16位的 已分配 標記位

   這樣設計使得對一個類型的相應的位進行遍歷很容易。

   前面提到堆區(qū)域和堆地址的標記位圖區(qū)域是分開存儲的，其實它們是以        
     mheap.arena_start地址為邊界，向上是實際使用的堆地址空間，向下則是標記位圖區(qū)
     域。以64位系統(tǒng)為例，計算堆中某個地址的標記位的公式如下：

   偏移 = 地址 - mheap.arena_start
   標記位地址 = mheap.arena_start - 偏移/16 - 1移位 = 偏移 % 16標記位 = *標記位地址 >> 移位

   然后就可以通過 (標記位 & 垃圾回收標記位),(標記位 & 分配位),等來測試相應的位。

   (也就是說，本來64位是一個字，需要4位標記位。但是，為了與字長相對，16個標記位
     放一起（剛好一個字長）一起表示16個字。并且每類標記位都放在一起
     AA..AABB...BB)

• 接下來補充幾個概念幫助理解：

1. 為什么要判斷哪些是數(shù)據(jù)，哪些是指針？
     假設堆中有一個long的變量，它的值是8860225560。但是我們不知道它的類型是
     long，所以在進行垃圾回收時會把個當作指針處理，這個指針引用到了0x2101c5018位
     置。假設0x2101c5018碰巧有某個對象，那么這個對象就無法被釋放了，即使實際上已
     經(jīng)沒任何地方使用它。

   由于沒有類型信息，我們并不知道這個結構體成員不包含指針，因此我們只能對結構體
     的每個字節(jié)遞歸地標記下去，這顯然會浪費很多時間。
     （能不能清除 變成了概率事件）。

2. 垃圾收集器（CMS收集器為例）   幾個階段：

   初始標記
     并發(fā)標記
     最終標記
     篩選回收

   初始標記僅僅是標記一下GC Roots能直接關聯(lián)到的對象，速度很快，并發(fā)標記就是進行
     GC Roots Trancing的過程，而重新標記階段則是為了修正并發(fā)標記期間因用戶程序繼
     續(xù)運行而導致標記產(chǎn)生變動那一部分對象的標記記錄，這個階段的停頓時間比初始標記稍
     長一些，但遠比并發(fā)標記時間短。

3. stop the world
     因為垃圾回收的時候，需要整個的引用狀態(tài)保持不變，否則判定是垃圾，等我稍后回
     收的時候它又被引用了，這就全亂套了。所以，GC的時候，其他所有的程序執(zhí)行處于暫停
     狀態(tài)，卡住了。
     這個概念提前引入，在這里進行對比，效果會更好些。與標記階段對比，stop the world發(fā)生在回收階段。

這里我們介紹幾種不同的垃圾回收算法

垃圾回收算法

• 標記清除算法 (Mark-Sweep)

標記-清除算法分為兩個階段：標記階段和清除階段。標記階段的任務是標記出所有需要被回收的對象，清除階段就是回收被標記的對象所占用的空間。

優(yōu)點是簡單，容易實現(xiàn)。缺點是容易產(chǎn)生內(nèi)存碎片，碎片太多可能會導致后續(xù)過程中需要為大對象分配空間時無法找到足夠的空間而提前觸發(fā)新的一次垃圾收集動作。（因為沒有對不同生命周期的對象采用不同算法，所以碎片多，內(nèi)存容易滿，gc頻率高，耗時，看了后面的方法就明白了）

• 分代回收算法

根據(jù)對象存活的生命周期將內(nèi)存劃分為若干個不同的區(qū)域。不同區(qū)域采用不同算法（復制算法，標記整理算法），這就是分代回收算法。

一般情況下將堆區(qū)劃分為老年代（Old Generation）和新生代（Young Generation），老年代的特點是每次垃圾收集時只有少量對象需要被回收，而新生代的特點是每次垃圾回收時都有大量的對象需要被回收，那么就可以根據(jù)不同代的特點采取最適合的收集算法。

1.新生代回收

新生代使用Scavenge算法進行回收。在Scavenge算法的實現(xiàn)中，主要采用了Cheney算法。

Cheney算法是一種采用復制的方式實現(xiàn)的垃圾回收算法。
它將內(nèi)存一分為二，每一部分空間稱為semispace。在這兩個semispace中，一個處于使用狀態(tài)，另一個處于閑置狀態(tài)。
簡而言之，就是通過將存活對象在兩個semispace空間之間進行復制。

復制過程采用的是BFS（廣度優(yōu)先遍歷）的思想，從根對象出發(fā)，廣度優(yōu)先遍歷所有能到達的對象

優(yōu)點：時間效率上表現(xiàn)優(yōu)異（犧牲空間換取時間）
缺點：只能使用堆內(nèi)存的一半

新生代的空間劃分比例為什么是比例為8：1：1（不是按照上面算法中說的1：1）？

新創(chuàng)建的對象都是放在Eden空間，這是很頻繁的，尤其是大量的局部變量產(chǎn)生的臨時對
象，這些對象絕大部分都應該馬上被回收，能存活下來被轉(zhuǎn)移到survivor空間的往往不
多。所以，設置較大的Eden空間和較小的Survivor空間是合理的，大大提高了內(nèi)存的使
用率，緩解了Copying算法的缺點。

8：1：1就挺好的，當然這個比例是可以調(diào)整的，包括上面的新生代和老年代的1：2的
比例也是可以調(diào)整的。

Eden空間和兩塊Survivor空間的工作流程是怎樣的？

具體的執(zhí)行過程是怎樣的？

假設有類似如下的引用情況：

          +----- A對象
          |
根對象----+----- B對象 ------ E對象
          |
          +----- C對象 ----+---- F對象 
                           |
                           +---- G對象 ----- H對象

    D對象

在執(zhí)行Scavenge之前，F(xiàn)rom區(qū)長這幅模樣:

+---+---+---+---+---+---+---+---+--------+| A | B | C | D | E | F | G | H |        |
+---+---+---+---+---+---+---+---+--------+

那么首先將根對象能到達的ABC對象復制到To區(qū)，于是乎To區(qū)就變成了這個樣子：

     allocationPtr
             ↓ 
+---+---+---+----------------------------+| A | B | C |                            |
+---+---+---+----------------------------+
 ↑
scanPtr

接下來進入循環(huán)，掃描scanPtr所指的A對象，發(fā)現(xiàn)其沒有指針，于是乎scanPtr移動，變成如下這樣

          allocationPtr
             ↓ 
+---+---+---+----------------------------+| A | B | C |                            |
+---+---+---+----------------------------+
     ↑
  scanPtr

接下來掃描B對象，發(fā)現(xiàn)其有指向E對象的指針，且E對象在From區(qū)，那么我們需要將E對象復制到allocationPtr所指的地方并移動allocationPtr指針：

                allocationPtr
                 ↓ 
+---+---+---+---+------------------------+| A | B | C | E |                        |
+---+---+---+---+------------------------+
     ↑
  scanPtr

中間過程省略，具體參考[新生代的垃圾回收具體的執(zhí)行過程][3]

From區(qū)和To區(qū)在復制完成后的結果：

//From區(qū)
+---+---+---+---+---+---+---+---+--------+| A | B | C | D | E | F | G | H |        |
+---+---+---+---+---+---+---+---+--------+//To區(qū)
+---+---+---+---+---+---+---+------------+| A | B | C | E | F | G | H |            |
+---+---+---+---+---+---+---+------------+

最終當scanPtr和allocationPtr重合，說明復制結束。   注意：如果指向老生代我們就不必考慮它了。（通過寫屏障）

對象何時晉升？

1.當一個對象經(jīng)過多次新生代的清理依舊幸存。
2.如果To空間已經(jīng)被使用了超過25%（后面還要進來許多新對象，不敢占用太多）
3.大對象
（其實這部分，包括次數(shù)，比例等，是視情況設置的。）

2.老生代回收

Mark-Sweep（標記清除）

標記清除分為標記和清除兩個階段。
主要是標記清除只清除死亡對象，而死亡對象在老生代中占用的比例很小，所以效率較高。

Mark-Compact（標記整理）

標記整理正是為了解決標記清除所帶來的內(nèi)存碎片的問題。

大體過程就是 雙端隊列標記黑（鄰接對象已經(jīng)全部處理），白（待釋放垃圾），灰（鄰
接對象尚未全部處理）三種對象.
 
標記算法的核心就是深度優(yōu)先搜索.

• 補充概念方便理解

1.觸發(fā)GC（何時發(fā)生垃圾回收？）

一般都是內(nèi)存滿了就回收，下面列舉幾個常見原因：
GC_FOR_MALLOC: 表示是在堆上分配對象時內(nèi)存不足觸發(fā)的GC。
GC_CONCURRENT: 當我們應用程序的堆內(nèi)存達到一定量，或者可以理解為快要滿的時候，系統(tǒng)會自動觸發(fā)GC操作來釋放內(nèi)存。
GC_EXPLICIT: 表示是應用程序調(diào)用System.gc、VMRuntime.gc接口或者收到SIGUSR1信號時觸發(fā)的GC。
GC_BEFORE_OOM: 表示是在準備拋OOM異常之前進行的最后努力而觸發(fā)的GC。

2.寫屏障（一個老年代的對象需要引用年輕代的對象，該怎么辦？）

如果新生代中的一個對象只有一個指向它的指針，而這個指針在老生代中，我們?nèi)绾闻袛?
這個新生代的對象是否存活？為了解決這個問題，需要建立一個列表用來記錄所有老生代
對象指向新生代對象的情況。每當有老生代對象指向新生代對象的時候，我們就記錄下
來。
當垃圾回收發(fā)生在年輕代時，只需對這張表進行搜索以確定是否需要進行垃圾回收，而不
是檢查老年代中的所有對象引用。

3.深度、廣度優(yōu)先搜索（為什么新生代用廣度搜索，老生代用深度搜索）

深度優(yōu)先DFS一般采用遞歸方式實現(xiàn)，處理tracing的時候，可能會導致?？臻g溢出，所以一般采用廣度優(yōu)先來實現(xiàn)tracing（遞歸情況下容易爆棧）。
廣度優(yōu)先的拷貝順序使得GC后對象的空間局部性（memory locality）變差（相關變量散開了）。
廣度優(yōu)先搜索法一般無回溯操作，即入棧和出棧的操作，所以運行速度比深度優(yōu)先搜索算法法要快些。
深度優(yōu)先搜索法占內(nèi)存少但速度較慢，廣度優(yōu)先搜索算法占內(nèi)存多但速度較快。

結合深搜和廣搜的實現(xiàn)，以及新生代移動數(shù)量小，老生代數(shù)量大的情況，我們可以得到了解答。

看完上述內(nèi)容，你們對go語言中垃圾回收機制的原理是什么有進一步的了解嗎？如果還想了解更多知識或者相關內(nèi)容，請關注億速云行業(yè)資訊頻道，感謝大家的支持。