搞懂Go垃圾回收

Posted 2022-07-19 codewithtxt

本文主要介绍了垃圾回收的概念，Golang GC的垃圾回收算法和工作原理，看完本文可以让你对Golang垃圾回收机制有个全面的理解。由于本人不了解其他语言的GC，并未对比其他语言的垃圾回收算法，需要的可以自行Google。

什么是垃圾回收

垃圾回收（英语：Garbage Collection，缩写为GC），在计算机科学中是一种自动的存储器管理机制。当一个计算机上的动态存储器不再需要时，就应该予以释放，以让出存储器，这种存储器资源管理，称为垃圾回收。垃圾回收器可以让程序员减轻许多负担，也减少程序员犯错的机会。来自维基百科

简单地说，垃圾回收(GC)是在后台运行一个守护线程，它的作用是在监控各个对象的状态，识别并且丢弃不再使用的对象来释放和重用资源。

go的垃圾回收

当前Golang使用的垃圾回收机制是三色标记发配合写屏障和辅助GC，三色标记法是标记-清除法的一种增强版本。

标记-清除法（mark and sweep）

原始的标记清楚法分为两个步骤：

1. 标记。先STP(Stop The World)，暂停整个程序的全部运行线程，将被引用的对象打上标记
2. 清除没有被打标机的对象，即回收内存资源，然后恢复运行线程。

这样做有个很大的问题就是要通过STW保证GC期间标记对象的状态不能变化，整个程序都要暂停掉，在外部看来程序就会卡顿。

三色标记法

三色标记法是对标记阶段的改进，原理如下：

1. 初始状态所有对象都是白色。

2. 从root根出发扫描所有根对象（下图a,b），将他们引用的对象标记为灰色（图中A，B）

   那么什么是root呢？
   看了很多文章都没解释这这个概念，在这儿说明下：root区域主要是程序运行到当前时刻的栈和全局数据区域。

1. 分析灰色对象是否引用了其他对象。如果没有引用其它对象则将该灰色对象标记为黑色（上图中A）；如果有引用则将它变为黑色的同时将它引用的对象也变为灰色（上图中B引用了D）
2. 重复步骤3，直到灰色对象队列为空。此时白色对象即为垃圾，进行回收。

也可以参考下面的动图辅助理解：

Go GC如何工作

上面介绍的是GO GC采用的三色标记算法，但是好像并没有体现出来怎么减少STW对程序的影响呢？其实是因为Golang GC的大部分处理是和用户代码并行的。

GC期间用户代码可能会改变某些对象的状态，如何实现GC和用户代码并行呢？先看下GC工作的完整流程：

1. Mark: 包含两部分:

• Mark Prepare: 初始化GC任务，包括开启写屏障(write barrier)和辅助GC(mutator assist)，统计root对象的任务数量等。这个过程需要STW
• GC Drains: 扫描所有root对象，包括全局指针和goroutine(G)栈上的指针（扫描对应G栈时需停止该G)，将其加入标记队列(灰色队列)，并循环处理灰色队列的对象，直到灰色队列为空。该过程后台并行执行

1. Mark Termination: 完成标记工作，重新扫描(re-scan)全局指针和栈。因为Mark和用户程序是并行的，所以在Mark过程中可能会有新的对象分配和指针赋值，这个时候就需要通过写屏障（write barrier）记录下来，re-scan 再检查一下。这个过程也是会STW的。
2. Sweep: 按照标记结果回收所有的白色对象，该过程后台并行执行

3. Sweep Termination: 对未清扫的span进行清扫, 只有上一轮的GC的清扫工作完成才可以开始新一轮的GC。
   如果标记期间用户逻辑改变了刚打完标记的对象的引用状态，怎么办呢？

   写屏障(Write Barrier)

   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。
   好难懂哦，结合上面GC工作的完整流程就好理解了，就是在每一轮GC开始时会初始化一个叫做“屏障”的东西，然后由它记录第一次scan时各个对象的状态，以便和第二次re-scan进行比对，引用状态变化的对象被标记为灰色以防止丢失，将屏障前后状态未变化对象继续处理。

辅助GC

从上面的GC工作的完整流程可以看出Golang GC实际上把单次暂停时间分散掉了，本来程序执?可能是“?户代码-->?段GC-->?户代码”，那么分散以后实际上变成了“?户代码-->?段 GC-->?户代码-->?段GC-->?户代码”这样。如果GC回收的速度跟不上用户代码分配对象的速度呢？
Go 语?如果发现扫描后回收的速度跟不上分配的速度它依然会把?户逻辑暂停，?户逻辑暂停了以后也就意味着不会有新的对象出现，同时会把?户线程抢过来加?到垃圾回收??加快垃圾回收的速度。这样?来原来的并发还是变成了STW，还是得把?户线程暂停掉，要不然扫描和回收没完没了了停不下来，因为新分配对象?回收快，所以这种东?叫做辅助回收。
## 如何进行GC调优
衡量GC对程序的影响可以参考这篇文章，Go 程序的性能调试问题。

减少对象的分配，合理重复利用；
避免string与[]byte转化；

两者发生转换的时候，底层数据结结构会进行复制，因此导致 gc 效率会变低。

少量使用+连接 string；

Go里面string是最基础的类型，是一个只读类型，针对他的每一个操作都会创建一个新的string。
如果是少量小文本拼接，用 “+” 就好；如果是大量小文本拼接，用 strings.Join；如果是大量大文本拼接，用 bytes.Buffer。

GC触发条件

自动垃圾回收的触发条件有两个：

1. 超过内存大小阈值
2. 达到定时时间
   阈值是由一个gcpercent的变量控制的,当新分配的内存占已在使用中的内存的比例超过gcprecent时就会触发。比如一次回收完毕后，内存的使用量为5M，那么下次回收的时机则是内存分配达到10M的时候。也就是说，并不是内存分配越多，垃圾回收频率越高。
   如果一直达不到内存大小的阈值呢？这个时候GC就会被定时时间触发，比如一直达不到10M，那就定时（默认2min触发一次）触发一次GC保证资源的回收。

写在最后

虽然Golang有自动垃圾回收机制，但是GC不是万能的，最好还是养成手动回收内存的习惯：比如手动把不再使用的内存释放，把对象置成nil，也可以考虑在合适的时候调用runtime.GC()触发GC。

近期在维护的go学习示例代码，新入坑的朋友们可以关注下
go-programming。

参考：

string讨论

Go语言——垃圾回收GC

Golang 垃圾回收剖析

Golang垃圾回收机制详解

go垃圾回收概要

常见GC算法及Golang GC