圖解Golang垃圾回收機(jī)制！

上篇說到超超從匯編的角度的解析了make和new的區(qū)別，下面來到了面試中常見的考點(diǎn)GC，Go的GC常常因?yàn)樾阅軉栴}被業(yè)界所詬病，下面跟著超超來看看內(nèi)存垃圾是如何產(chǎn)生的，以及Go從1.3到1.8在GC上做了哪些改進(jìn)吧！

面試官：你知道程序的垃圾是怎么產(chǎn)生的嗎？

考點(diǎn)：Go內(nèi)存管理

超超：程序在內(nèi)存上被分為堆區(qū)、棧區(qū)、全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)、代碼段、數(shù)據(jù)區(qū)五個(gè)部分。對(duì)于C++等早期編程語言棧上的內(nèi)存由編譯器管理回收，堆上的內(nèi)存空間需要編程人員負(fù)責(zé)申請(qǐng)與釋放。在Go中棧上內(nèi)存仍由編譯器負(fù)責(zé)管理回收，而堆上的內(nèi)存由編譯器和垃圾收集器負(fù)責(zé)管理回收，給編程人員帶來了極大的便利性。

垃圾是指程序向堆棧申請(qǐng)的內(nèi)存空間，隨著程序的運(yùn)行已經(jīng)不再使用這些內(nèi)存空間，這時(shí)如果不釋放他們就會(huì)造成垃圾也就是內(nèi)存泄漏。

例如下面這段程序

 1package main
 2
 3//假設(shè)每個(gè)人都擁有自己都一部手機(jī)
 4type Person struct {
 5    phone *Phone
 6}
 7
 8type Phone struct {
 9    money int
10}
11
12func main() {
13    //定義一個(gè)Person為超超
14    chao := new(Person)
15
16    //超超一開始用的是iphone12
17    iphone := &Phone{money: 6599}
18    chao.phone = iphone
19
20    //華為推出了鴻蒙，于是超超果斷入了一部mate40
21    huawei := &Phone{money: 5899}
22    chao.phone = huawei
23
24}

隨著超超將手機(jī)從iPhone換成了華為，phone所指向的內(nèi)存空間就變成了垃圾，這時(shí)就需要對(duì)phone指向的內(nèi)存空間進(jìn)行回收，否則就變成了內(nèi)存泄漏。

考點(diǎn)：GC的實(shí)現(xiàn)

超超：那我從Go1.3開始說起吧，

Go1.3使用的是標(biāo)記清除法，分下面四步進(jìn)行

1. 進(jìn)行STW（stop the worl即暫停程序業(yè)務(wù)邏輯），然后從main函數(shù)開始找到不可達(dá)的內(nèi)存占用和可達(dá)的內(nèi)存占用

2. 開始標(biāo)記，程序找出可達(dá)內(nèi)存占用并做標(biāo)記

3. 標(biāo)記結(jié)束清除未標(biāo)記的內(nèi)存占用

4. 結(jié)束STW停止暫停，讓程序繼續(xù)運(yùn)行，循環(huán)該過程直到main生命周期結(jié)束

   

一開始的做法是將垃圾清理結(jié)束時(shí)才停止STW，后來優(yōu)化了方案將清理垃圾放到了STW之后，與程序運(yùn)行同時(shí)進(jìn)行，這樣做減小了STW的時(shí)長。但是STW會(huì)暫停用戶邏輯對(duì)程序的性能影響是非常大的，這種粒度的STW對(duì)于性能較高的程序還是無法接受，因此Go1.5采用了三色標(biāo)記法優(yōu)化了STW。

Go1.5三色標(biāo)記法

三色標(biāo)記算法將程序中的對(duì)象分成白色、黑色和灰色三類。白色對(duì)象表示暫無對(duì)象引用的潛在垃圾，其內(nèi)存可能會(huì)被垃圾收集器回收；灰色對(duì)象表示活躍的對(duì)象，黑色到白色的中間狀態(tài)，因?yàn)榇嬖谥赶虬咨珜?duì)象的外部指針，垃圾收集器會(huì)掃描這些對(duì)象的子對(duì)象；黑色對(duì)象表示活躍的對(duì)象，包括不存在引用外部指針的對(duì)象以及從根對(duì)象可達(dá)的對(duì)象。

三色標(biāo)記法分五步進(jìn)行

1. 將所有對(duì)象標(biāo)記為白色

2. 從根節(jié)點(diǎn)集合出發(fā)，將第一次遍歷到的節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為灰色放入集合列表中

3. 遍歷灰色集合，將灰色節(jié)點(diǎn)遍歷到的白色節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為灰色，并把灰色節(jié)點(diǎn)標(biāo)記為黑色

4. 循環(huán)這個(gè)過程

5. 直到灰色節(jié)點(diǎn)集合為空，回收所有的白色節(jié)點(diǎn)

這種方法看似很好，但是將GC和程序會(huì)放一起執(zhí)行，會(huì)因?yàn)閏pu的調(diào)度出現(xiàn)下面這種情況，導(dǎo)致被引用的對(duì)象3會(huì)被垃圾回收掉，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤。

分析bug的根源所在，主要是因?yàn)槌绦蛟谶\(yùn)行過程中出現(xiàn)了下面?zhèn)z種情況

1. 一個(gè)白色對(duì)象被黑色對(duì)象引用

2. 灰色對(duì)象與它之間的可達(dá)關(guān)系的白色對(duì)象遭到破壞

因此在此基礎(chǔ)上拓展出了倆種方法，強(qiáng)三色不變式和弱三色不變式

1. 強(qiáng)三色不變式：不允許黑色對(duì)象引用白色對(duì)象

2. 弱三色不變式：黑色對(duì)象可以引用白色，白色對(duì)象存在其他灰色對(duì)象對(duì)他的引用，或者他的鏈路上存在灰色對(duì)象

為了實(shí)現(xiàn)這倆種不變式的設(shè)計(jì)思想，從而引出了屏障機(jī)制，即在程序的執(zhí)行過程中加一個(gè)判斷機(jī)制，滿足判斷機(jī)制則執(zhí)行回調(diào)函數(shù)。

屏障機(jī)制分為插入屏障和刪除屏障，插入屏障實(shí)現(xiàn)的是強(qiáng)三色不變式，刪除屏障則實(shí)現(xiàn)了弱三色不變式。值得注意的是為了保證棧的運(yùn)行效率，屏障只對(duì)堆上的內(nèi)存對(duì)象啟用，棧上的內(nèi)存會(huì)在GC結(jié)束后啟用STW重新掃描。

插入屏障：對(duì)象被引用時(shí)觸發(fā)的機(jī)制，當(dāng)白色對(duì)象被黑色對(duì)象引用時(shí)，白色對(duì)象被標(biāo)記為灰色（棧上對(duì)象無插入屏障）。

缺點(diǎn)在于：如果對(duì)象1在棧上新創(chuàng)建了一個(gè)對(duì)象6，由于棧沒有屏障機(jī)制，所以對(duì)象6仍為白色節(jié)點(diǎn)會(huì)被回收

所以棧在GC迭代結(jié)束時(shí)（沒有灰色節(jié)點(diǎn)），會(huì)對(duì)棧執(zhí)行STW，重新進(jìn)行掃描清除白色節(jié)點(diǎn)。（STW時(shí)間為10-100ms）

刪除屏障：對(duì)象被刪除時(shí)觸發(fā)的機(jī)制。如果灰色對(duì)象引用的白色對(duì)象被刪除時(shí)，那么白色對(duì)象會(huì)被標(biāo)記為灰色。

缺點(diǎn)：這種做法回收精度較低，一個(gè)對(duì)象即使被刪除仍可以活過這一輪再下一輪被回收。（如果對(duì)象4沒有引用對(duì)象3，此時(shí)對(duì)象3應(yīng)該作為垃圾被回收，但是對(duì)象3卻要等到下一輪GC才會(huì)被回收）

同樣也存在對(duì)棧的二次掃描影響程序的效率。

Go1.8 三色標(biāo)記+混合寫屏障

基于插入寫屏障和刪除寫屏障在結(jié)束時(shí)需要STW來重新掃描棧，所帶來的性能瓶頸，Go在1.8引入了混合寫屏障的方式實(shí)現(xiàn)了弱三色不變式的設(shè)計(jì)方式，混合寫屏障分下面四步

1. GC開始時(shí)將棧上可達(dá)對(duì)象全部標(biāo)記為黑色（不需要二次掃描，無需STW）

2. GC期間，任何棧上創(chuàng)建的新對(duì)象均為黑色

3. 被刪除引用的對(duì)象標(biāo)記為灰色

4. 被添加引用的對(duì)象標(biāo)記為灰色

下面為混合寫屏障過程

面試官：說到這那我們?cè)倭囊幌耇CMalloc算法吧。

超超：好的（自動(dòng)GC用的舒服，面試好難呀??????

未完待續(xù)～