【Golang】高性能编程之垃圾回收机制

文章目录 1. Go 语言GC(垃圾回收)的工作原理2. Java的垃圾回收3. Go和Java的垃圾回收对比3.1 垃圾回收区域3.2 收集算法3.3 总结 参考

垃圾回收：当程序创建对象，数组等引用类型实体时，系统会在堆内存中为之分配一块内存区，对象就保存在内存区中，当内存不再被任何引用变量引用时，这块内存就变成了垃圾，等待垃圾回收机制去进行回收。 1. Go 语言GC(垃圾回收)的工作原理

最常见的垃圾回收算法有标记清除(Mark-Sweep) 和引用计数(Reference Count)，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写屏障技术，提高了效率。

标记清除收集器是跟踪式垃圾收集器，其执行过程可以分成标记（Mark）和清除（Sweep）两个阶段：
标记阶段 — 从根对象出发查找并标记堆中所有存活的对象；
清除阶段 — 遍历堆中的全部对象，回收未被标记的垃圾对象并将回收的内存加入空闲链表。

标记清除算法的一大问题是在标记期间，需要暂停程序（Stop the world，STW），标记结束之后，用户程序才可以继续执行。为了能够异步执行，减少 STW 的时间，Go 语言采用了三色标记法。

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：不确定对象。
灰色：存活对象，子对象待处理。
黑色：存活对象。

标记开始时，所有对象加入白色集合（这一步需 STW ）。首先将根对象标记为灰色，加入灰色集合，垃圾搜集器取出一个灰色对象，将其标记为黑色，并将其指向的对象标记为灰色，加入灰色集合。重复这个过程，直到灰色集合为空为止，标记阶段结束。那么白色对象即可需要清理的对象，而黑色对象均为根可达的对象，不能被清理。
简单来说，就是首先全部进入待处理状态白色，然后选一个根对象加入灰色，垃圾收集器选出一个灰色对象，因为它是活的所以标记成黑色，并且与它关联的子对象也是活的，也要加入灰色，依次类推，即所有进入灰色集合的对象最终都会被标记成黑色，剩下还在白色集合的就是要清理的。

三色标记法因为多了一个白色的状态来存放不确定对象，所以后续的标记阶段可以并发地执行。当然并发执行的代价是可能会造成一些遗漏，因为那些早先被标记为黑色的对象可能目前已经是不可达的了。所以三色标记法是一个 false negative（假阴性）的算法。

三色标记法并发执行仍存在一个问题，即在 GC 过程中，对象指针发生了改变。比如下面的例子：

A (黑) -> B (灰) -> C (白) -> D (白)

正常情况下，D 对象最终会被标记为黑色，不应被回收。但在标记和用户程序并发执行过程中，用户程序删除了 C 对 D 的引用，而 A 获得了 D 的引用。标记继续进行，D 就没有机会被标记为黑色了（A 已经处理过，这一轮不会再被处理。在一轮中黑色就是一种最终状态了，因为它在变为黑色的同时它的子对象会被加入到灰色中，所以改变了对象指针后，白色只有在下一轮全部一起变白时才进行判断）。

A (黑) -> B (灰) -> C (白) 
  ↓
 D (白)

为了解决这个问题（三色标记法并发中的对象指针改变问题），Go 使用了内存屏障技术，它是在用户程序读取对象、创建新对象以及更新对象指针时执行的一段代码，类似于一个钩子。垃圾收集器使用了写屏障（Write Barrier）技术，当对象新增或更新时，会将其着色为灰色。这样即使与用户程序并发执行，对象的引用发生改变时，垃圾收集器也能正确处理了。

一次完整的 GC 分为四个阶段：
1）标记准备(Mark Setup，需STW)，打开写屏障(Write Barrier)；
2）使用三色标记法标记（Marking， 并发）；
3）标记结束(Mark Termination，需STW)，关闭写屏障；
4）清理(Sweeping， 并发)。

2. Java的垃圾回收 当前Java虚拟机的垃圾收集采用分代收集算法，一般根据对象存活周期的不同将内存分为新生代和老年代。在新生代中，每次收集都会有大量对象死去，可以选择“标记-复制”算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。 而老年代的对象存活几率是比较高，而且没有额外的空间对它进行分配担保，所以我们选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进行垃圾收集。


直到现在为止还没有最好的垃圾收集器出现，更加没有万能的垃圾收集器，我们能做的就是根据具体应用场景选择适合自己的垃圾收集器。 3. Go和Java的垃圾回收对比 3.1 垃圾回收区域 Go内存会分成堆区（Heap）和栈区（Stack）两个部分，程序在运行期间可以主动从堆区申请内存空间，这些内存由内存分配器分配并由垃圾收集器负责回收。栈区的内存由编译器自动进行分配和释放，栈区中存储着函数的参数以及局部变量，它们会随着函数的创建而创建，函数的返回而销毁。Go堆是Go垃圾收集器管理的主要区域。
Java内存运行时区域的各个部分，其中程序计数器、虚拟机栈、本地方法栈3个区域随着线程而生，随着线程而灭；栈中的栈帧随着方法的进入和退出而有条不紊地执行着出栈和入栈的 *** 作，每个栈帧中分配多少内存基本是在类结构确定下来时就已知的。而Java堆和方法区则不同，一个接口中的多个实现类需要的内存可能不同，一个方法中的多个分支需要的内存也可能不一样，我们只有在程序处于运行期间时才能知道会创建哪些对象，这部分内存的分配和回收都是动态的，因此，Java堆和方法区是Java垃圾收集器管理的主要区域。
程序计数器：是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器，各条线程之间计数器互不影响，独立存储。虚拟机栈：它描述的是 Java 方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame，是方法运行时的基础数据结构）用于存储局部变量表、 *** 作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。本地方法栈：它与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行 Java 方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的 Native 方法服务。Java 堆：它是 Java 虚拟机所管理的内存中最大的一块。Java 堆是被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。方法区：它与 Java 堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。 3.2 收集算法 Java是采用分代收集算法（其中新生代用标记-复制算法，老生代使用“标记-清除”或“标记整理”算法），Go是采用标记清除算法结合三色标记法和写屏障技术。标记清除算法
标记复制算法
标记整理算法
3.3 总结

从垃圾回收的角度来说，经过多代发展，Java的垃圾回收机制较为完善，Java划分新生代、老年代来存储对象。对象通常会在新生代分配内存，多次存活的对象会被移到老年代，由于新生代存活率低，产生空间碎片的可能性高，通常选用“标记-复制”作为回收算法，而老年代存活率高，通常选用“标记-清除”或“标记-整理”作为回收算法，压缩整理空间。​Go是非分代的、并发的、基于三色标记和清除的垃圾回收器，它的优势要结合它tcmalloc内存分配策略才能体现出来，因为小微对象的分配均有自己的内存池，所有的碎片都能被完美复用，所以GC不用考虑空间碎片的问题。 参考

java垃圾回收和Go垃圾回收