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一、什么是 GC

垃圾回收也称为 GC（Garbage Collection），是一种自动内存管理机制

现代高级编程语言管理内存的方式分为两种：自动和手动，像C、C++ 等编程语言使用手动管理内存的方式，工程师编写代码过程中需要主动申请或者释放内存；而 PHP、Java 和 Go 等语言使用自动的内存管理系统，有内存分配器和垃圾收集器来代为分配和回收内存，其中垃圾收集器就是我们常说的GC。

在应用程序中会使用到两种内存，分别为堆（Heap）和栈（Stack），GC 负责回收堆内存，而不负责回收栈中的内存

栈是线程的专用内存，专门为了函数执行而准备的，存储着函数中的局部变量以及调用栈，函数执行完后，编译器可以将栈上分配的内存可以直接释放，不需要通过 GC 来回收。

堆是程序共享的内存，需要 GC 进行回收在堆上分配的内存。

垃圾回收器的执行过程被划分为两个半独立的组件：

  • 赋值器（Mutator）：这一名称本质上是在指代用户态的代码。因为对垃圾回收器而言，用户态的代码仅仅只是在修改对象之间的引用关系，也就是在对象图（对象之间引用关系的一个有向图）上进行操作。
  • 回收器（Collector）：负责执行垃圾回收的代码。

二、主流 GC 算法

目前比较常见的垃圾回收算法有三种：

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：Python、PHP、Swift
  • 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。

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

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。

面试官：谈谈 Go GC 算法_开发语言

三、Go GC 算法

GC 算法概念

Go 语言采用的是标记清除算法，并在此基础上使用了三色标记法和混合写屏障技术，G C过程和其他用户 goroutine 可并发运行，但需要一定时间的STW

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：

  • 白色：白色通常表示节点未被访问或未处理。在开始算法执行时，所有节点都被初始化为白色。
  • 灰色：灰色表示节点已经被访问，但尚未完成对其子节点的访问。
  • 黑色：黑色表示节点已经被访问并且已经完成了对其子节点的访问。

step 1: 创建：白、灰、黑 三个集合

step 2: 将所有对象放入白色集合中

step 3: 遍历所有root对象，把遍历到的对象从白色集合放入灰色集合 (这里放入灰色集合的都是根节点的对象)

step 4: 遍历灰色集合，将灰色对象引用的对象从白色集合放入灰色集合，自身标记为黑色

step 5: 重复步骤4，直到灰色中无任何对象，其中用到2个机制：

  • 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。

step 6: 回收所有白色对象（垃圾）

root对象

根对象在垃圾回收的术语中又叫做根集合，它是垃圾回收器在标记过程时最先检查的对象，包括：

全局变量：程序在编译期就能确定的那些存在于程序整个生命周期的变量。

执行栈：每个 goroutine 都包含自己的执行栈，这些执行栈上指向堆内存的指针。

寄存器：寄存器的值可能表示一个指针，参与计算的这些指针可能指向某些赋值器分配的堆内存区块。

插入写屏障

对象被引用时触发的机制（只在堆内存中生效）：赋值器将插入行为通知给并发执行的回收器，进而产生可能需要额外（重新）扫描的对象 ，被引用的对象标记为灰色

缺点：结束时需要STW来重新扫描栈，标记栈上引用的白色对象的存活

删除写屏障

对象被删除时触发的机制（只在堆内存中生效）：赋值器将删除行为通知给并发执行的回收器，被删除的对象，如果自身为灰色或者白色，那么标记为灰色

缺点：一个对象的引用被删除后，即使没有其他存活的对象引用它，出于性能考虑，它仍然会活到下一轮（如果本轮回收会产生很大冗余扫描成本），降低了回收精度

混合写屏障

GC没有混合写屏障前，一直是插入写屏障；混合写屏障是插入写屏障 + 删除写屏障，写屏障只应用在堆上应用，栈上不启用（栈上启用成本很高）

  • GC开始将栈上的对象全部扫描并标记为黑色。
  • GC期间，任何在栈上创建的新对象，均为黑色。
  • 被删除的对象标记为灰色。
  • 被添加的对象标记为灰色。

GC 流程

一次完整的垃圾回收会分为四个阶段，分别是标记准备、标记开始、标记终止、清理：

  1. 标记准备（Mark Setup）：打开写屏障（Write Barrier），需 STW（stop the world)
  2. 标记开始（Marking）：使用三色标记法并发标记 ，与用户程序并发执行
  3. 标记终止（Mark Termination）：对触发写屏障的对象进行重新扫描标记，关闭写屏障（Write Barrier），需 STW（stop the world)
  4. 清理（Sweeping）：将需要回收的内存归还到堆中，将过多的内存归还给操作系统，与用户程序并发执行

面试官：谈谈 Go GC 算法_golang_02

GC 触发时机

主动触发：

- 调用 runtime.GC() 方法，触发 GC

被动触发：

  • 定时触发，该触发条件由 runtime.forcegcperiod 变量控制，默认为 2 分 钟。当超过两分钟没有产生任何 GC 时，触发 GC
  • 根据内存分配阈值触发，该触发条件由环境变量GOGC控制，默认值为100（100%），当前堆内存占用是上次GC结束后占用内存的2倍时，触发GC

GC 算法演进

  • Go 1：mark and sweep操作都需要STW
  • Go 1.3：分离了mark和sweep操作，mark过程需要 STW，mark完成后让sweep任务和普通协程任务一样并行，停顿时间在约几百ms
  • Go 1.5：引入三色并发标记法、插入写屏障，不需要每次都扫描整个内存空间，可以减少stop the world的时间，停顿时间在100ms以内
  • Go 1.6：使用 bitmap 来记录回收内存的位置，大幅优化垃圾回收器自身消耗的内存，停顿时间在10ms以内
  • Go 1.7：停顿时间控制在2ms以内
  • Go 1.8：混合写屏障（插入写屏障和删除写屏障），停顿时间在0.5ms左右
  • Go 1.9：彻底移除了栈的重扫描过程
  • Go 1.12：整合了两个阶段的 Mark Termination
  • Go 1.13：着手解决向操作系统归还内存的，提出了新的 Scavenger
  • Go 1.14：替代了仅存活了一个版本的 scavenger，全新的页分配器，优化分配内存过程的速率与现有的扩展性问题，并引入了异步抢占，解决了由于密集循环导致的 STW 时间过长的问题