Go 语言中的垃圾回收机制 GC 详解

Author mogd 2022-04-29
Update mogd 2022-05-05
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注：整理的不是很好，这一块比较深，读者可以直接去阅读本文的参考文章

目录 Go 语言中的垃圾回收机制 GC 详解一、内存管理和分配1.1 内存分配器的分配方法1.2 Go 中的内存分配 二、垃圾回收2.1 实现原理2.2 三色标记法 参考

Go 语言中的垃圾回收机制 GC 详解

在计算机科学中，垃圾回收 (Garbage Collection 简称 GC) 是一种自动管理内存的机制，垃圾回收器会去尝试回收程序不再使用的对象及占用的内存

程序员受益于 GC，无需 *** 心、也不再需要对内存进行手动的申请和释放 *** 作，GC 在程序运行时自动释放残留的内存
GC 对程序员几乎不可见，仅在程序需要进行特殊优化时，通过提供可调控的 API，对 GC 的运行时机、运行开销进行把控的时候才得以现身

在计算中，内存空间包含两个重要的区域：栈区 (Stack) 和堆区 (Heap)；栈区一般存储了函数调用的参数、返回值以及局部变量，不会产生内存碎片，由编译器管理，无需开发者管理；而堆区会产生内存碎片，在 Go 语言中堆区的对象由内存分配器分配并由垃圾收集器回收

通常，垃圾回收器的执行过程划分为两个半独立的组件：

用户程序 (Mutator)：用户态代码，对于 GC 而言，用户态代码仅仅只是在修改对象之间的引用关系收集器 (Colletor)：负责执行垃圾回收的代码 一、内存管理和分配

当内存不再使用时，Go 内存管理由其标准库自动执行，即从内存分配到 Go 集合。内存管理一般包含三个不同的组件，分别是用户程序 (Mutator)、分配器 (Allocator) 和收集器 (Collector)，当用户程序申请内存时，它会通过内存分配器申请新内存，而分配器会负责从堆中初始化相应的内存区域

1.1 内存分配器的分配方法

在编程语言中，内存分配器一般有两种分配方法：

线性分配器 (Sequential Allocator，Bump Allocator)空闲链表分配器 (Free-List Allocator)

线性分配器

线性分配 (Bump Allocator) 是一种高效的内存分配方法，但是有较大的局限性。当用户使用线性分配器时，只需要在内存中维护一个指向内存特定位置的指针，如果用户程序向分配器申请内存，分配器只需要检查剩余的空闲内存、返回分配的内存区域并修改指针在内存中的位置；

虽然线性分配器有较快的执行速度以及较低的实现复杂度，但线性分配器无法在内存释放后重用内存。如下图，如果已经分配的内存被回收，线性分配器无法重新利用红色的内存

因此线性分配器需要与适合的垃圾回收算法配合使用

标记压缩 (Mark-Compact)复制回收 (Copying GC)分代回收 (Generational GC)

以上算法可以通过拷贝的方式整理存活对象的碎片，将空闲内存定期合并，这样就能利用线性分配器的效率提升内存分配器的性能了

空闲链表分配器

空闲链表分配器 (Free-List Allocator) 可以重用已经被释放的内存，它在内部会维护一个类似链表的数据结构。当用户程序申请内存时，空闲链表分配器会依次遍历空闲的内存块，找到足够大的内存，然后申请新的资源并修改链表

空闲链表分配器常见有四种策略：

首次适应 (First-Fit) — 从链表头开始遍历，选择第一个大小大于申请内存的内存块循环首次适应 (Next-Fit) — 从上次遍历的结束位置开始遍历，选择第一个大小大于申请内存的内存块最优适应 (Best-Fit) — 从链表头遍历整个链表，选择最合适的内存块隔离适应 (Segregated-Fit) — 将内存分割成多个链表，每个链表中的内存块大小相同，申请内存时先找到满足条件的链表，再从链表中选择合适的内存块

其中第四中策略与 Go 语言中使用的内存分配策略相似

该策略会将内存分割成由 4、8、16、32 字节的内存块组成的链表，当我们向内存分配器申请 8 字节的内存时，它会在上图中找到满足条件的空闲内存块并返回。隔离适应的分配策略减少了需要遍历的内存块数量，提高了内存分配的效率

1.2 Go 中的内存分配

一张图展示内存分配组成：

在 Go 语言中，堆上的所有对象都会通过调用 runtime.newobject 函数分配内存，该函数会调用 runtime.mallocgc 分配指定大小的内存空间，这也是用户程序向堆上申请内存空间的必经函数

func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer {
	mp := acquirem()
	mp.mallocing = 1

	c := gomcache()
	var x unsafe.Pointer
	noscan := typ == nil || typ.ptrdata == 0
	if size <= maxSmallSize {
		if noscan && size < maxTinySize {
			// 微对象分配
		} else {
			// 小对象分配
		}
	} else {
		// 大对象分配
	}

	publicationBarrier()
	mp.mallocing = 0
	releasem(mp)

	return x
}

从代码中可以看出 runtime.mallocgc 根据对象的大小执行不同的分配逻辑，根据对象大小将它们分成微对象、小对象和大对象

微对象 (0, 16B) — 先使用微型分配器，再依次尝试线程缓存、中心缓存和堆分配内存小对象 [16B, 32KB] — 依次尝试使用线程缓存、中心缓存和堆分配内存大对象 (32KB, +∞) — 直接在堆上分配内存

小分配

对于小于 32kb 的小分配，Go 会尝试从 mcache 的本地缓存中获取内存，该缓存处理一个跨度列表 (32kb 的内存块) mspan

每个线程 M 都分配给一个处理器 P，一次最多处理一个 goroutine。在分配内存时，当前的 goroutine 将使用其当前的本地缓存 P 来查找 span 列表中第一个可用的空闲对象

大分配
Go 不使用本地缓存管理大型分配。这些大于 32kb 的分配被四舍五入到页面大小，页面直接分配到堆中

二、垃圾回收

在 Go 语言中，垃圾回收器实现的算法是一个并发的三色标记和扫描收集器

垃回收器与 Go 程序同时运行，因此需要通过一种写屏障算法来检测内存中的潜在变化。启动写屏障的唯一条件是在短时间内停止程序，即 “Stop the World”

写屏障的目的是允许收集器在收集期间保持堆上的数据完整性

2.1 实现原理

Go 语言的垃圾收集可以分成清除终止、标记、标记终止和清除四个不同的阶段，其中两个阶段会产生 Stop The World (STW)

清除终止阶段

暂停程序，所有的处理器在这时会进入安全点（Safe point）如果当前垃圾收集循环是强制触发的，我们还需要处理还未被清理的内存管理单元

标记阶段 (STW)

将状态切换至 _GCmark、开启写屏障、用户程序协助（Mutator Assists）并将根对象入队恢复执行程序，标记进程和用于协助的用户程序会开始并发标记内存中的对象，写屏障会将被覆盖的指针和新指针都标记成灰色，而所有新创建的对象都会被直接标记成黑色开始扫描根对象，包括所有 Goroutine 的栈、全局对象以及不在堆中的运行时数据结构，扫描 Goroutine 栈期间会暂停当前处理器依次处理灰色队列中的对象，将对象标记成黑色并将它们指向的对象标记成灰色使用分布式的终止算法检查剩余的工作，发现标记阶段完成后进入标记终止阶段

标记终止阶段 (STW)

暂停程序、将状态切换至 _GCmarktermination 并关闭辅助标记的用户程序清理处理器上的线程缓存

清理阶段

将状态切换至 _GCoff 开始清理阶段，初始化清理状态并关闭写屏障恢复用户程序，所有新创建的对象会标记成白色后台并发清理所有的内存管理单元，当 Goroutine 申请新的内存管理单元时就会触发清理 2.2 三色标记法

三色标记算法将程序中的对象分成白色、黑色和灰色三类：

白色对象 — 潜在的垃圾，其内存可能会被垃圾收集器回收黑色对象 — 活跃的对象，包括不存在任何引用外部指针的对象以及从根对象可达的对象灰色对象 — 活跃的对象，因为存在指向白色对象的外部指针，垃圾收集器会扫描这些对象的子对象

三色标记垃圾收集器的工作原理很简单，可以将其归纳成以下几个步骤：

从灰色对象的集合中选择一个灰色对象并将其标记成黑色将黑色对象指向的所有对象都标记成灰色，保证该对象和被该对象引用的对象都不会被回收重复上述两个步骤直到对象图中不存在灰色对象

参考

[1] GC 的认识
[2] 深入解析 Go
[3] Go 语言设计与实现
[4] Go: How Does the Garbage Collector Mark the Memory?