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浅析Go语言垃圾回收机制

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作者:BigLoser    访问次数:19    投票总数:0   
创建时间:2020-10-18 10:51:54   

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:PythonPHPSwift

  • 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。

 

  1. 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。

 

  1. 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)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。

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