GC实现原理

什么是GC？

垃圾回收也称为GC（Garbage Collection），是一种自动内存管理机制

现代高级编程语言管理内存的方式分为两种：自动和手动，像C、C++ 等编程语言使用手动管理内存的方式，工程师编写代码过程中需要主动申请或者释放内存；而 PHP、Java 和 Go 等语言使用自动的内存管理系统，有内存分配器和垃圾收集器来代为分配和回收内存，其中垃圾收集器就是我们常说的GC。

在应用程序中会使用到两种内存，分别为堆（Heap）和栈（Stack），GC负责回收堆内存，而不负责回收栈中的内存：

栈是线程的专用内存，专门为了函数执行而准备的，存储着函数中的局部变量以及调用栈，函数执行完后，编译器可以将栈上分配的内存可以直接释放，不需要通过GC来回收。

堆是程序共享的内存，需要GC进行回收在堆上分配的内存。

垃圾回收器的执行过程被划分为两个半独立的组件：

• 赋值器（Mutator）：这一名称本质上是在指代用户态的代码。因为对垃圾回收器而言，用户态的代码仅仅只是在修改对象之间的引用关系，也就是在对象图（对象之间引用关系的一个有向图）上进行操作。
• 回收器（Collector）：负责执行垃圾回收的代码。

主流的GC算法

目前比较常见的垃圾回收算法有3种：

• 引用计数：为每个对象维护一个引用计数，当引用该对象的对象销毁时，引用计数-1，当对象引用计数为0时回收该对象。
  • 代表语言：Python、PHP、Swift
  • 优点：对象回收快，不会出现内存耗尽或达到某个阈值时才回收。
  • 缺点：不能很好的处理循环引用，而实时维护引用计数也是有损耗的。
• 分代收集：按照对象生命周期长短划分不同的代空间，生命周期长的放入老年代，短的放入新生代，不同代有不同的回收算法和回收频率。
  • 代表语言：Java
  • 优点：回收性能好
  • 缺点：算法复杂
• 标记-清除：从根变量开始遍历所有引用的对象，标记引用的对象，没有被标记的进行回收。
  • 代表语言：Golang（三色标记法）
  • 优点：解决了引用计数的缺点。
  • 缺点：需要 STW，暂时停掉程序运行。

Go GC算法

此算法是在Go1.5版本开始使用，Go采用的是标记清除算法，并在此基础上使用了三色标记法和混合写屏障技术，GC过程和其他用户goroutine可并发运行，但需要一定时间的STW

三色标记法只是为了叙述方便而抽象出来的一种说法，实际上的对象是没有三色之分的。这里的三色，对应了垃圾回收过程中对象的三种状态：

• 灰色：对象还在标记队列中等待
• 黑色：对象已被标记，gcmarkBits对应位为1(该对象不会在本次GC中被回收)
• 白色：对象未被标记，gcmarkBits对应位为0(该对象会在本次GC中被清理)

垃圾回收过程：

• 创建：白，灰，黑三个集合
• 将所有对象放入白色集合中
• 遍历所有root对象，把遍历到的对象从白色集合放入灰色集合（这里放入灰色集合的都是根节点的对象）
• 遍历灰色集合，将灰色对象引用的对象从白色集合放入灰色集合，自身标记为黑色
• 重复步骤4，直到灰色中无任何对象，其中用到2个机制：
  • 写屏障（Write Barrier）：上面说到的STW目的是防止GC扫描时内存变化引起的混乱，而写屏障就是让Goroutine与GC同时运行的手段，虽然不能完全消除STW,但是可以大大减少STW时间。写屏障在GC的特定时间开启，开启后指针传递时会把指针标记，即本轮不回收，下次GC时再确定
  • 辅助 GC（Mutator Assist）：为了防止内存分配过快，在 GC 执行过程中，GC 过程中 mutator 线程会并发运行，而 mutator assist 机制会协助 GC 做一部分的工作。
• 收集所有白色对象(垃圾)

root对象

根对象在垃圾回收的术语中又叫做根集合，它是垃圾回收器在标记过程时最先检查的对象，包括：

全局变量：程序在编译期就能确定的那些存在于程序整个生命周期的变量。 执行栈：每个 goroutine 都包含自己的执行栈，这些执行栈上指向堆内存的指针。 寄存器：寄存器的值可能表示一个指针，参与计算的这些指针可能指向某些赋值器分配的堆内存区块。

插入写屏障

对象被引用时触发的机制（只在堆内存中生效）：赋值器这一行为通知给并发执行的回收器，被引用的对象标记为灰色

缺点：结束时需要STW来重新扫描栈，标记栈上引用的白色对象的存活

删除写屏障

对象被删除时触发的机制（只在堆内存中生效）：赋值器将这一行为通知给并发执行的回收器，被删除的对象，如果自身为灰色或者白色，那么标记为灰色

缺点：一个对象的引用被删除后，即使没有其他存活的对象引用它，它仍然会活到下一轮，会产生很大冗余扫描成本，且降低了回收精度

混合写屏障

GC没有混合写屏障前，一直是插入写屏障；混合写屏障是插入写屏障 + 删除写屏障，写屏障只应用在堆上应用，栈上不启用（栈上启用成本很高）

• GC开始将栈上的对象全部扫描并标记为黑色。
• GC期间，任何在栈上创建的新对象，均为黑色。
• 被删除的对象标记为灰色。
• 被添加的对象标记为灰色。

GC流程

一次完整的垃圾回收会分为四个阶段，分别是标记准备、标记开始、标记终止、清理：

1. 标记准备（Mark Setup）：打开写屏障（Write Barrier），需 STW（stop the world)
2. 标记开始（Marking）：使用三色标记法并发标记 ，与用户程序并发执行
3. 标记终止（Mark Termination）：对触发写屏障的对象进行重新扫描标记，关闭写屏障（Write Barrier），需 STW（stop the world)
4. 清理（Sweeping）：将需要回收的内存归还到堆中，将过多的内存归还给操作系统，与用户程序并发执行

GC的触发时机

主动触发：

• 调用 runtime.GC() 方法，触发 GC

被动触发：

• 定时触发，该触发条件由 runtime.forcegcperiod 变量控制，默认为 2 分 钟。当超过两分钟没有产生任何 GC 时，触发 GC
• 根据内存分配阈值触发，该触发条件由环境变量GOGC控制，默认值为100（100%），当前堆内存占用是上次GC结束后占用内存的2倍时，触发GC

GC如何调优

• 控制内存分配的速度，限制Goroutine的数量，提高赋值器mutator的CPU利用率(降低GC的CPU利用率)
• 少量使用+连接string
• slice提前分配足够的内存来降低扩容带来的拷贝
• 避免map key对象过多，导致扫描时间增加
• 变量复用，减少对象分配，例如使用sync.Pool来复用需要频繁创建临时对象，使用全局变量
• 增大GOGC的值，降低GC的运行频率