golang 垃圾回收-三色标记法（白话版）

news2024/11/29 14:34:02

对于golang 垃圾回收的了解，我理解更多的就是了解，实际做项目能用到垃圾回收的知识点不多，但有些晦涩难懂的语言，是我们的绊脚石，对于技术怎么能理解就怎么记忆。

1. golang垃圾回收的基础：标记（Mark）、清扫（Sweep）

1）首先把我们的对象简单归个类，有些对象包含基础类型，这类对象回收比较省心，只要该对象没人调用，那就可以回收了。

type aa struct {
	A int
	B int
}

2）还有对象中包含指针，指针指向另一个对象，这种对象回收不能只考虑本对象，还要考虑指向的对象，如果父对象都没有回收，却把指针指向的对象删除，那妥妥的内存泄漏。

type aa struct {
	A *bb
	B int
}

type bb struct {
	X int
	Y int
}

3）假设应用代码片段如下（不要较真这段程序的对象在栈上分配，示意）：

	a := aa{}
	b1 := &bb{
		X: 1,
		Y: 2,
	}
	b2 := &bb{
		X: 3,
		Y: 4,
	}
	a.B = b1
	a.B = b2

系统有三个对象分别为a、b1、b2。
![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/80abf3e538ce4858a9fefc8cee713f30.png
4）开始标记根对象，假设跟对象为a为黑色、由于a与b2是父子对象，也标记为黑色。

5）最后发现b1 是白色的，执行清扫流程，然后就回收了。

问题：可以看出标记、清扫逻辑清晰，实现简单，真实GC界的翘楚！但是，这里有个严重的问题，如果刚扫描完成b2标记为黑色，执行a.B = b1代码，a又指向了b1，但b1没有被扫描，非常幸运b1被回收了。。。

为了解决这个问题，很简单从源头解决，不让a.B = b1 代码执行就行了，也就是STW。但对标记整个流程STW，性能自然是不高的。

2. 三色标记法

1）三色标记法介绍

对上述标记、清扫流程改进，三色标记法。

白色：没有被标记的对象
灰色：被扫描到的对象
黑色：所有子对象都被扫描后，由灰色变成黑色。

还是上面的例子：

扫描到a的样子，a变成灰色。
扫描到b2的样子，b2 变成灰色
扫描完成后的样子，a、b2 都变成黑色
执行清扫流程，将白色的对象回收。

这效果非常棒，成功实现对象回收！！但是… 这和上面的标记、清扫没啥区别啊，STW问题一个没解决，还换了好几个颜色，崩溃啊!!

2）三色不变性

仔细思考，一个对象被错误回收需要两个必要条件，也就是只要满足下面条件，就会发生内存泄露。
1）强三色不变性：如果出现一个黑色对象指向白色对象。
2）弱三色不变性：白色对象没有一条灰色对象指向他。这句话有点绕，场景：如果一个白色的对象，没有任何一条灰色的对象指向他，则满足第二个条件。

我们上面的案例分析，满足两个条件，黑色指向白色，且没有灰色指向白色，出现内存泄露。
在这里插入图片描述
那么只要我们想办法破坏这两个不变性中的一个，就不会出现内存泄露。

3）写屏障

屏障技术网上有很多，这里我们抽取和我们有关的描述，可以在内存操作前执行特定的逻辑。注意：内存在golang程序中分为堆、栈，golang是对堆使用屏障技术，可能是技术实现难度大，毕竟每次栈操作调用其他函数处理、还要保证性能。

插入写屏障

目标：打破强三色不变性，也就是不让对象标记期间，出现黑色指向白色的情况。当有白色对象挂到黑色对象下面时，将白色变成灰色。

还是按照上面的案例，当我们开始垃圾回收的时候，不进行STW，直接开启写屏障，当执行a.B = b1命令时触发写屏障逻辑，将b1 标记为灰色。最终如下图所示：
在这里插入图片描述

有了插入写屏障，打破强三色不变性，对象不会错误回收，也不用STW，完美。但是屏障技术应用在堆上，并没有应用在栈上，假设a对象分配在栈上，那么当a.B = b1执行时，不会触发写屏障，那可咋弄？
答：在标记阶段需要STW，扫描栈上指针后，并发标记。这种方式虽然也有STW，但范围上已经小了很多，毕竟堆标记的时候没有STW。这种GC方式在go1.5版本使用。

删除写屏障

目标：我们再思考能否从弱三色不变性下手，打破弱三色不变性。即在标记期间如果有指向白色对象的对象更改引用关系，则直接将该白色对象标记为灰色。上面的例子不够看了，我们再换个例子。

场景：
1）a1、b1对象已经标记完毕
2）a2 已经标记完毕，正在标记b2 的时候，执行a.B = b2，如果没有插入写屏障，则b2仍然未被标记。
3）b2被残忍回收了。
在这里插入图片描述
删除写屏障：当a2 与 b2 解除依赖关系时，触发删除写屏障，b2标记为灰色。

在这里插入图片描述
通过删除写屏障也可以防止内存泄露，但我们还未讨论栈上指针如何处理。

删除写屏障-栈指针处理
1）还是上面的例子，假设a1、a2是栈上对象，上面的例子无法触发删除写屏障，b2内存泄露。
2）a2与b2 解除关系后，b2 与b1进行绑定，如果没有插入写屏障，即使b1是堆对象，也无法触发屏障技术。
在这里插入图片描述
上面两种情况分别讨论下：
1）如果能将a2上的指针对象改为a1，说明a1、a2 在同一个goroutine，每个goroutine有独立的栈空间，同一个goroutine发生指针改变，那么后续对栈进行扫描的时候，可以以协程为单位进行STW，还可以并发扫描，时间少很多。
2）这种情况如果能够引入插入写屏障，b2就可以标记为灰色对象。