图解Golang的GC算法

虽然Golang的GC自打一开始,就被人所诟病,但是经过这么多年的发展,Golang的GC已经改善了非常多,变得非常优秀了。

以下是Golang GC算法的里程碑:

  • v1.1 STW
  • v1.3 Mark STW, Sweep 并行
  • v1.5 三色标记法
  • v1.8 hybrid write barrier

经典的GC算法有三种:引用计数(reference counting)标记-清扫(mark & sweep)复制收集(Copy and Collection)

Golang的GC算法主要是基于标记-清扫(mark and sweep)算法,并在此基础上做了改进。因此,在此主要介绍一下标记-清扫(mark and sweep)算法,关于引用计数(reference counting)和复制收集(copy and collection)可自行百度。

标记-清扫(Mark And Sweep)算法

此算法主要有两个主要的步骤:

  • 标记(Mark phase)
  • 清除(Sweep phase)

第一步,找出不可达的对象,然后做上标记。 第二步,回收标记好的对象。

操作非常简单,但是有一点需要额外注意:mark and sweep算法在执行的时候,需要程序暂停!即stop the world。 也就是说,这段时间程序会卡在哪儿。故中文翻译成卡顿

我们来看一下图解:

开始标记,程序暂停。程序和对象的此时关系是这样的:

然后开始标记,process找出它所有可达的对象,并做上标记。如下图所示:

标记完了之后,然后开始清除未标记的对象:

然后垃圾清除了,变成了下图这样。

最后,停止暂停,让程序继续跑。然后循环重复这个过程,直到process生命周期结束。

标记-清扫(Mark And Sweep)算法存在什么问题?

标记-清扫(Mark And Sweep)算法这种算法虽然非常的简单,但是还存在一些问题:

  • STW,stop the world;让程序暂停,程序出现卡顿。
  • 标记需要扫描整个heap
  • 清除数据会产生heap碎片

这里面最重要的问题就是:mark-and-sweep 算法会暂停整个程序。

Go是如何面对并这个问题的呢?

三色并发标记法

我们先来看看Golang的三色标记法的大体流程。

首先:程序创建的对象都标记为白色。

gc开始:扫描所有可到达的对象,标记为灰色

从灰色对象中找到其引用对象标记为灰色,把灰色对象本身标记为黑色

监视对象中的内存修改,并持续上一步的操作,直到灰色标记的对象不存在

此时,gc回收白色对象。

最后,将所有黑色对象变为白色,并重复以上所有过程。

好了,大体的流程就是这样的,让我们回到刚才的问题:Go是如何解决标记-清除(mark and sweep)算法中的卡顿(stw,stop the world)问题的呢?

gc和用户逻辑如何并行操作?

标记-清除(mark and sweep)算法的STW(stop the world)操作,就是runtime把所有的线程全部冻结掉,所有的线程全部冻结意味着用户逻辑是暂停的。这样所有的对象都不会被修改了,这时候去扫描是绝对安全的。

Go如何减短这个过程呢?标记-清除(mark and sweep)算法包含两部分逻辑:标记和清除。 我们知道Golang三色标记法中最后只剩下的黑白两种对象,黑色对象是程序恢复后接着使用的对象,如果不碰触黑色对象,只清除白色的对象,肯定不会影响程序逻辑。所以:清除操作和用户逻辑可以并发。

标记操作和用户逻辑也是并发的,用户逻辑会时常生成对象或者改变对象的引用,那么标记和用户逻辑如何并发呢?

process新生成对象的时候,GC该如何操作呢?不会乱吗?

我们看如下图,在此状态下:process程序又新生成了一个对象,我们设想会变成这样:

但是这样显然是不对的,因为按照三色标记法的步骤,这样新生成的对象A最后会被清除掉,这样会影响程序逻辑。

Golang为了解决这个问题,引入了写屏障这个机制。 写屏障:该屏障之前的写操作和之后的写操作相比,先被系统其它组件感知。 通俗的讲:就是在gc跑的过程中,可以监控对象的内存修改,并对对象进行重新标记。(实际上也是超短暂的stw,然后对对象进行标记)

在上述情况中,新生成的对象,一律都标位灰色! 即下图:

那么,灰色或者黑色对象的引用改为白色对象的时候,Golang是该如何操作的?

看如下图,一个黑色对象引用了曾经标记的白色对象。

这时候,写屏障机制被触发,向GC发送信号,GC重新扫描对象并标位灰色。

因此,gc一旦开始,无论是创建对象还是对象的引用改变,都会先变为灰色。

参考文献: Golang’s Real-time GC in Theory and Practice Golang's realtime garbage collector Golang 垃圾回收剖析

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