【go】三色标记-垃圾回收机制

news2024/11/13 18:02:47

垃圾回收原因 :

垃圾回收是一种内存管理技术,它的主要目的是自动管理程序中的内存分配和释放,以减少内存泄漏和野指针等问题

赋值器与回收器:

赋值器(Mutator)是指程序中的执行部分,负责创建和操作对象。赋值器与垃圾回收器共同工作,赋值器负责创建和操作对象,而垃圾回收器则负责监视内存中的对象,标记不再使用的对象,然后释放它们所占用的内存空间。

垃圾回收基本过程 :

  1. 标记阶段:在这个阶段,垃圾回收器会遍历整个内存堆,标记所有仍然被引用的对象。通常,这个阶段会从根对象开始遍历,对于所有可达的对象,都会打上标记。

  2. 清除阶段:在标记阶段结束之后,垃圾回收器会扫描整个内存堆,将所有未被标记的对象释放掉,以便后续的内存分配。这个阶段的操作通常是从堆的起始位置开始,对于每一个对象,都会检查它是否被标记,如果没有被标记,就将其释放掉。

  3. 压缩阶段:在这个阶段,垃圾回收器会对内存堆进行整理,将所有存活的对象向一端移动,以便在后续的内存分配中可以更高效地利用内存空间。这个阶段通常只有在使用基于标记-整理(Mark-Compact)的垃圾回收算法时才会出现。

垃圾回收算法 : 三色标记清扫

“三色标记清扫”(Tri-Color Mark and Sweep)的垃圾回收算法。该算法是一种基于标记-清除(Mark and Sweep)算法的改进版本,采用**三种不同的颜色(白色、灰色和黑色)**来表示对象的不同状态。

白色,灰色,黑色的含义:

  • 白色对象(可能死亡):未被回收器访问到的对象。在回收开始阶段,所有对象均为白色,当回收结束后,白色对象均不可达。
  • 灰色对象(波面):已被回收器访问到的对象,但回收器需要对其中的一个或多个指针进行扫描,因为他们可能还指向白色对象。
  • 黑色对象(确定存活):已被回收器访问到的对象,其中所有字段都已被扫描,黑色对象中任何一个指针都不可能直接指向白色对象。

基本过程:

  1. 垃圾回收器首先将所有对象标记为白色,然后从根对象开始遍历程序中的所有对象,将可达对象标记为灰色。
  2. 在遍历的过程中,如果发现某个对象的引用被清除或移动了,那么该对象被标记为白色。
  3. 一旦所有可达对象都被标记为灰色,垃圾回收器将所有未被标记为灰色的对象标记为黑色,并释放所有标记为白色的对象的内存空间。

并行标记清理导致的问题 :

用户态代码在回收过程中会并发的更新对象图,从而赋值器和回收器可能对对象图的结构产生不同的认知

垃圾回收的正确性保证

如何保证对象不缺失 :

在三色标记过程中,对象如果要缺失,要同时满足以下两点:

  1. 白色对象被黑色对象引用
  2. 灰色对象与白色对象间的关系遭到破坏

所以GO语言引入两个原则, 弱三色不变式和强三色不变式

弱三色不变式

所有被黑色对象引用的白色对象,都有一条路径能够被灰色对象引用请添加图片描述

强三色不变式

不存在黑色的子对象为白色

插入写屏障

又称增量更新屏障(incremental update)

思想:

插入屏障拦截将白色指针插入黑色对象的操作,标记其对应对象为灰色状态

缺点:

对栈上指针的写入添加写屏障的成本很高,所以Go选择仅对堆上的指针插入增加写屏障,这样就会出现在扫描结束后,栈上仍存在引用白色对象的情况,这时的栈是灰色的,不满足三色不变式,所以需要对栈进行重新扫描使其变黑,完成剩余对象的标记,这个过程需要STW

优点 :

Dijkstra的插入写屏障在标记开始时无需STW,可直接开始,并发进行,但结束时需要STW来重新扫描栈

删除屏障

又称为基于起始快照的屏障(snapshot-at-the-beginning)

基本思想:

当删除引用时,被删除的对象是白色,则被标记成灰色

缺点 :

  • 一个对象被删除后,虽然可能没有其他存活对象引用它,但是仍然在本轮GC中存活,会降低回收精度,增加下轮GC成本
  • 开始时STW扫描堆栈来记录初始快照

优点 :

Yuasa的删除写屏障则需要在GC开始时STW扫描堆栈来记录初始快照,这个过程会保护开始时刻的所有存活对象,但结束时无需STW

混合屏障

Go1.8版本引入的混合写屏障结合了Yuasa的删除写屏障和Dijkstra的插入写屏障,结合了两者的优点

  • GC刚开始的时候,将栈上所有可达对象全部标记为黑色
  • GC期间,任何在栈上创建的对象,均为黑色
  • 堆上被删除和新增的对象标记为灰色

优点:

避免了对栈re-scan的过程,极大的减少了STW的时间

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