關(guān)于Java與Golang的GC
本文只做GC方面的一些概述，具體細節(jié)請單獨看一些優(yōu)秀blog。
同時文章內(nèi)容為個人理解，歡迎評論指責(zé)，謝謝！
一、GC的普遍解決方案
一般來說GC分為兩個部分，一部分是找到需要回收的對象，一部分是清除這些對象并執(zhí)行一些額外操作，如碎片處理。因而本文從標記和清除兩個方面來敘述
實際上所謂的清除方案如mark-sweep是使用的可達性分析的標記法，但本文將兩者分離開講。在清理部分只單論mark-sweep的清理思想，而不考慮標記細節(jié)，此處請注意??
1、標記
總體來說，分為兩大類方法，第一類方法為引用計數(shù)，也是最為基礎(chǔ)簡單的做法。第二類為可達性分析，即Golang包括Java所使用的標記方式
1.1、引用計數(shù)法
引用計數(shù)法很好理解，即在對象頭部隱式增加一個計數(shù)器，通過計數(shù)器來計算引用次數(shù)。
如創(chuàng)建一個新對象并賦名，此時即為可引用狀態(tài)，引用計數(shù)器++。
Student stu = new Student();
此時對象的引用為stu，計數(shù)器非0，則認定為有效對象。若此時將stu置空。
stu = null;
此時無法再引用到之前創(chuàng)建的對象，即對象存在與內(nèi)存中，但引用stu已經(jīng)被抹除，此時該對象計數(shù)器清零，可以被回收。
但仔細思考一下，引用計數(shù)法有一些難以解決的問題，如考慮以下場景：類A包含類B的成員變量，同時類B也包含類A，此時分別實例化兩個類的對象，并相互引用。此時兩個類內(nèi)部的成員變量都包含對方類的引用，即使此時在主函數(shù)中將兩個類引用置為null，兩個實例在內(nèi)存中依然會相互引用。計數(shù)器不清零，二者無法調(diào)用，也無法被清理。
（上圖來自?知乎 海納 GC算法之引用計數(shù)[1]）
所以可能會想到，既然我們考慮GC的根本是可不可以到達，或可不可以通過直接或間接的引用去調(diào)用對象，那么我去構(gòu)建一個引用有向圖，做深度或者廣度遍歷不就知道哪些可以留，哪些沒有用了嘛？
這就是可達性分析的原理～
1.2、可達性分析
簡單來說，就是選取幾個可靠的根節(jié)點，從根結(jié)點開始做遍歷，遍歷所有可以到達的對象，那么到不了的就視為無效對象，應(yīng)被GC回收，這種想法就很好的避免了循環(huán)引用的問題，像是Java和Go的GC都采用的這種策略。但這種方式也會有一些缺點，和算法一樣嘛，照顧了時間就要多花空間，沒有完美的算法，只有合適的算法。
可達性分析的重點在于：如何選擇合適的根節(jié)點
我們可以大概看看Java是如何選擇的，JVM的GC通常會選擇以下四類作為根節(jié)點
?VM Stack中引用的對象?方法區(qū)中類靜態(tài)引用的對象?方法區(qū)中常量引用的對象?本地方法棧中的Native方法（JNI）
Java中Running Data Area包含幾個區(qū)域，如總程序調(diào)用需要的棧區(qū)，即VM Stack，動態(tài)分配的堆區(qū)heap，方法區(qū)Method Area，還有PCR程序計數(shù)器和Native本地方法區(qū)。首先棧區(qū)為根節(jié)點的主要選擇區(qū)，即在棧中的引用對象需要作為根節(jié)點處理。此外，類中的靜態(tài)引用是作為類屬性非對象屬性存在，因而具有根節(jié)點特性。常量同理，這些都分配在堆區(qū)。還有本地方法棧的Native方法，Native方法本質(zhì)是不在JVM的棧中調(diào)用的，而是動態(tài)連接在C棧（或其他）中進行處理。此外，Java在處理無法到達節(jié)點時，會留有一次生存機會，去判斷是否執(zhí)行finalize()方法，此處不細講，畢竟不做Java，不是特別了解JVM。
而Go中的選擇就更簡單一些，即全局變量和G Stack中的引用指針，簡單來說就是全局量和go程中的引用指針。因為Go中沒有類的封裝概念，因而Gc Root選擇也相對簡單一些
可達性分析的具體實現(xiàn)，如怎么去解引用等可深入了解一下，此處不再細解
1.3 二者對比
引用計數(shù)法很好的將標記工作平攤到日常的對象創(chuàng)建引用過程中，在對象引用時直接在頭部計數(shù)器++即可，掃描階段直接判斷所有的計數(shù)器，把為0的清理掉即可。但問題也比較突出，就是循環(huán)引用終究無法解決，這樣會造成很多無效引用擠占內(nèi)存空間。但相對來說判定效率高，速度快，GC不會對性能產(chǎn)生較大影響。
可達性分析相對來說較為準確，能夠很好的解決循環(huán)引用等問題。但可達性分析最大的問題在于，為了保持對象的一致性，即掃描階段所有對象狀態(tài)不可變更，此時需要STW（stop the world）。對于高并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，STW無疑是致命的，因而之后也會提到，Go是如何優(yōu)化這些缺點的。
2、清理
清理實際上是GC中最重要的部分，即如何充分利用空間和性能，同時如何避免產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片，以及如何適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)需求，這些都是各種語言選擇GC的重要標準，之后也會闡述，如為何Go不直接效仿Java成熟的GC機制，而有自己的GC路數(shù)。
以下演示圖均來自?知乎 咱們從頭到尾說一次 Java 垃圾回收[2]
2.1 mark-sweep
上文也提過，實際上mark-sweep使用的可達性分析，即根節(jié)點掃描的方式，但此處僅僅講清理過程。
mark-sweep是最基礎(chǔ)簡單的清理辦法，即標記需要回收的節(jié)點，然后清除節(jié)點即可。但這種做法明顯有很多問題，即產(chǎn)生較多的內(nèi)存碎片。因而這種算法大部分情況下需要改進使用！
2.2 copying
復(fù)制算法就要機智一些，把內(nèi)存分割成兩個相同的區(qū)域，每次只使用一半。當發(fā)生GC的時候，會把其中一塊中的存活對象復(fù)制到另一塊內(nèi)存中，原先內(nèi)存清空。這種方法相對來說不會產(chǎn)生大量的內(nèi)存碎片，但問題在于變相減半了內(nèi)存空間，這顯然也是無法接受的。同時如果GC比較頻繁的話，會涉及到大量的內(nèi)存復(fù)制，降低性能。
2.3 mark-compact
和mark-sweep比較相似，但是其多了一步整理的過程，即將存活對象全部左移，再清理可回收對象。這種方法有效的避免了內(nèi)存碎片的產(chǎn)生，同時也不會像復(fù)制算法變相減小內(nèi)存空間，但需要頻繁的內(nèi)存移動操作，對性能也有一定的影響。
2.4 分代策略
可見，沒有完美的算法，只有適合的算法。幾種回收方式各有優(yōu)劣，因而根據(jù)對象回收的實際情況選擇對應(yīng)的回收策略才是機智操作。JVM所采用的回收策略即分代策略，其將內(nèi)存劃分為幾個代，每個代都有自己的特點，如新生代需要頻繁的GC，大部分對象創(chuàng)建消亡極快，因而實際存活對象很少，使用復(fù)制算法可以不用額外處理回收對象，直接清空對應(yīng)內(nèi)存即可。而老年代存活幾率大，且可能包含一些大對象（之后詳細敘述），因而使用mark- compact就更加合適。
JVM的具體回收策略之后會再詳細敘述，此處僅提出分代的思想。
2.5 三色標記法
三色標記法本質(zhì)就是mark-sweep，但在可達性算法標記的時候，采用三色的標記策略，實現(xiàn)并發(fā)的回收。實際三色標記是一種標記的策略而非清理，但為了避免結(jié)構(gòu)混亂，放在這里一起講。
三色標記法將對象分為黑，灰和白三種（你喜歡紅黃藍也一個道理），黑色即為確認存活對象，灰色是當前分析對象，白色是不可達對象或未分析對象。簡單來說把根節(jié)點標記為灰色push，之后pop出來再做可達性分析，把指向節(jié)點染灰并壓棧，原節(jié)點染黑壓黑棧，這樣最終遍歷完，清理白色節(jié)點。
但實際情況沒有這么簡單，Golang采用的就是三色標記法，原因和具體細節(jié)請繼續(xù)往下看～
二、Java垃圾回收機制
1、Java分代策略
Java使用的是分代策略，分代策略的最大好處就是因地制宜，根據(jù)對象不同情況選擇不同解決方案。
線程共享方法區(qū)和堆區(qū)，主要動態(tài)創(chuàng)建都在堆上，因而堆也是主要的回收空間。
JVM將堆區(qū)分為兩個部分，新生代和老年代，新生代存新對象，老年代存老對象，但具體的抉擇調(diào)度很復(fù)雜。
堆空間三分之一為新生代，初始創(chuàng)建的絕大部分對象都在新生代，而新生代又分為三個區(qū)域，分別是4/5的Eden區(qū)，和兩個1/10的交替區(qū)，圖中稱from，to區(qū)，實際上可以理解為，兩個區(qū)一模一樣，有的文章會把他們叫做S0和S1，或者其他叫法，但實際上這兩個區(qū)交替使用，沒有差別。
2、Java GC簡要過程
每次執(zhí)行Minor GC，都會清理新生代區(qū)域，具體做法是：
每次創(chuàng)建對象都在Eden區(qū)中，如當前from區(qū)包含上次GC都剩余存活對象，則此次GC清理Eden區(qū)和from區(qū)，將兩個區(qū)中所有的存活對象轉(zhuǎn)移到to區(qū)中，并清空Eden區(qū)和from區(qū)。下次GC則將Eden和to的存活對象，轉(zhuǎn)移到from。這樣就很清晰了，實際上這是一種復(fù)制算法的改進策略，即不直接進行二分分塊，而是用Eden做緩沖。當然這種做法的前提是，新生代98%的對象都是創(chuàng)建即銷毀的，可以理解為挺不過一次GC，所以雖然每次存活對象最大區(qū)域才是新生代的1/10，但空間也是足夠使用的。同時如果空間不夠，會有其他策略進行處理，往老年代轉(zhuǎn)移。
好處就是不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片，而且由于使用復(fù)制算法，存活對象比例較低，性能也較強，但需要注意，這些操作都是在STW的前提下的，即執(zhí)行GC需要掛起所有線程去清理堆區(qū)。而Minor GC速度較快，STW時間極短，因而幾乎無法察覺。但在高并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)面前，這就是一個致命的缺點，這也是Go不是用分代策略，使用三色標記法的根本原因之一。
?Minor GC 清理新生代?Major GC 清理老年代?Full GC 全清
3、對象轉(zhuǎn)移策略
而實際上，當from或to區(qū)不足以存儲的時候，JVM就會將對象轉(zhuǎn)移到老年代，此外當對象存活過15次GC后也會被送入老年代，一些大對象，如超長字符串數(shù)組也會被直接安排到老年代，而不會在新生代中頻繁GC復(fù)制。
當執(zhí)行一次Minor GC后，會根據(jù)之前每次Minor GC轉(zhuǎn)移到老年代的對象空間進行判斷，如老年代還剩1MB的空間，但之前每次Minor GC平均會將2MB的對象送入老年代，這時JVM就會出現(xiàn)擔(dān)保風(fēng)險，即它無法擔(dān)保老年代剩余空間足夠應(yīng)付Minor GC轉(zhuǎn)移過來的對象，所以此時會進行一次Major GC以釋放老年代的空間。但可能這次只轉(zhuǎn)移1KB的對象，但由于擔(dān)保機制，JVM還是會執(zhí)行Major GC。
三、Golang垃圾回收機制
1、標記-清除法（v1.3之前）
初代的golang垃圾回收機制非常簡陋，即go runtime在一定條件下（主動或被動），暫停所有任務(wù)（STW），執(zhí)行mark&sweep操作，執(zhí)行完清理過程后再啟動任務(wù)的執(zhí)行。在需要回收較多廢棄對象的時候，會出現(xiàn)較長時間的STW停頓。go設(shè)計初衷便是為了支持CSP模型下的并發(fā)任務(wù)處理，同時原生高程度的web支持也使其適用于應(yīng)對輕量級web服務(wù)的搭建，因而v1.3之前的STW對于高并發(fā)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)是難以忍受的，因而只能通過控制內(nèi)存分配數(shù)量，或手動管理來解決高并發(fā)場景，golang針對這一問題在后續(xù)不斷的進行了改進。
2、標記-STW-清除法（v1.3）
實際使用STW的原因在于，需要在標記階段去掃描所有對象，以分辨是否需要回收。如果此時不作限制，放任程序變更對象狀態(tài)，便會導(dǎo)致錯誤的gc。而清除階段由于不再需要掃描整個程序的對象狀態(tài)，因而實際上在清除階段是不需要STW的，所以在v1.3版本，go runtime分離了mark和sweep的操作，mark期間執(zhí)行STW，結(jié)束后并發(fā)執(zhí)行g(shù)c和其他業(yè)務(wù)邏輯。同時如果存在多核處理器，go會試圖使用額外的核心處理gc，盡量不影響業(yè)務(wù)代碼的運行。
3、三色標記法（v1.5之后）
此時，golang的gc是“非分代的、非移動的、并發(fā)的、三色的標記清除垃圾回收器”，這種gc方式簡稱三色標記法。
三色標記法大體過程如下：
1.創(chuàng)建白，灰，黑三個集合，并將所有對象放入白色集合2.從根節(jié)點遍歷對象（非遞歸，類似廣度優(yōu)先），將遍歷到的對象轉(zhuǎn)移到灰色集合3.遍歷灰色對象，將引用對象轉(zhuǎn)移到灰色集合，原灰色對象轉(zhuǎn)移到黑色集合，重復(fù)直至無灰色對象4.通過寫屏障檢測對象變化5.清理白色對象
三色標記法易于實現(xiàn)并發(fā)回收，即在程序運行的同時進行g(shù)c，不需要長時間暫停整個程序。這種mark操作可以漸進執(zhí)行而不需要每次掃描整個內(nèi)存，有效減少STW時間。
但此時也會有很多問題存在，當同時出現(xiàn)以下情況，就會出現(xiàn)錯誤的gc：
?變更引用，導(dǎo)致白色對象被黑色對象引用?破壞引用，導(dǎo)致白色對象與灰色對象的可達性關(guān)系被破壞
此時白色對象本質(zhì)上是存活對象，但由于無法再被掃描到，所以會被誤清除。因而我們需要一些額外的機制，在盡量少的STW的前提下，保證gc的準確性和可靠性。
其實主要的問題就在于對象引用狀態(tài)的變更，只要破壞以上某一點，就可以保證回收的穩(wěn)定性
3.1 Dijkstra插入屏障
在增加引用的時候，如果某個對象被引用，則需放入灰色集合，而不能放入白色集合。這樣就保證無論如何，不會出現(xiàn)黑色引用白色的情況。
但插入屏障存在兩個問題：
1.插入屏障在一次回收過程中可能會有殘留對象存在，導(dǎo)致刪除引用后，對象直到下一次gc才能被回收。2.在標記階段，每次的引用插入操作都需要調(diào)用插入屏障，進而導(dǎo)致性能下降。因而go團隊將插入屏障應(yīng)用到了堆區(qū)的回收中，棧中使用原三色標記法。這就導(dǎo)致為了gc的準確性，需要在完成標記時啟動STW對棧區(qū)再次掃描。
3.2 Yuasa刪除屏障
在刪除引用的時候，如果被刪除的對象自身為白色或灰色，會被標記為灰色。這就保持刪除引用時，始終保持一條灰色可達的通路，進而不會出現(xiàn)破壞引用，導(dǎo)致白色對象不可達的情況。但回收精度不高，對象即使被刪除，引用指針依然可以存活一輪。GC開始時需要STW掃描堆棧來記錄初始快照，從而保護初始狀態(tài)下的存活對象。
3.3 混合寫屏障（v1.8之后）
混合寫屏障結(jié)合兩者特點，通過以下方式實現(xiàn)并發(fā)穩(wěn)定的gc：
1.將棧上的對象全部掃描并標記為黑色2.GC期間，任何在棧上創(chuàng)建的新對象，均為黑色。3.被刪除的對象標記為灰色。4.被添加的對象標記為灰色。
由于要保證棧的運行效率，混合寫屏障是針對于堆區(qū)使用的。即棧區(qū)不會觸發(fā)寫屏障，只有堆區(qū)觸發(fā)，由于棧區(qū)初始標記的可達節(jié)點均為黑色節(jié)點，因而也不需要第二次STW下的掃描。本質(zhì)上是融合了插入屏障和刪除屏障的特點，解決了插入屏障需要二次掃描的問題。同時針對于堆區(qū)和棧區(qū)采用不同的策略，保證棧的運行效率不受損。
此時golang包含混合寫屏障的并發(fā)三色標記法正式形成，“非分代的、非移動的、并發(fā)的、三色的標記清除垃圾回收器”能夠避免STW，適應(yīng)高并發(fā)場景，效率較高。
四、總結(jié)
綜上，本文從大方向介紹了普遍的GC思想，并描述了Java與Golang采用的不同GC策略。
通過對比可以發(fā)現(xiàn)，兩種語言采用的GC各有優(yōu)劣。為了適應(yīng)業(yè)務(wù)，做出很多獨特的優(yōu)化和改進，使語言在適用領(lǐng)域能夠最大程度發(fā)揮作用。
Java發(fā)展時間長，GC機制較完善，效率高，碎片化小，兼顧了各種場景下的垃圾回收，充分利用堆棧空間。而Golang將更多的精力放在了并發(fā)解決上，也是其一貫的設(shè)計思想，相對Java來說機制不夠完善，但針對并發(fā)的處理有獨特的方式，因而或許更適合高并發(fā)的高GC的業(yè)務(wù)場景。
因此，Golang的三色標記法，是“非分代的、非移動的”（不同于Java），同時也是高度“并發(fā)的”回收機制。同時Golang團隊也在不停的優(yōu)化GC策略，包括一些異步的搶占式調(diào)度等，相信Golang會越來越好！
References
[1]?知乎 海納 GC算法之引用計數(shù):?https://zhuanlan.zhihu.com/p/27939756[2]?知乎 咱們從頭到尾說一次 Java 垃圾回收:?https://zhuanlan.zhihu.com/p/73628158
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