golang中的gc原理是什么

今天小編給大家分享一下golang中的gc原理是什么的相關知識點，內容詳細，邏輯清晰，相信大部分人都還太了解這方面的知識，所以分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后有所收獲，下面我們一起來了解一下吧。

gc出現

對于任何使用C語言的人，如果問他們C語言的最大煩惱是什么，其中許多人可能會回答說是指針和內存泄漏。以致于后出現的語言，都在幫助程序員來處理內存泄漏的問題，比較有名的語言java、python、go等等，都有一個比較重要的機制，那就是gc(Garbage Collection)，也就是垃圾收集器。當然這也是得意于這些語言的特質，它們在運行的時候，都有一個諸如golang中runtime的機制，java中有jvm來管理。程序員不再需要考慮，我什么時候應該分配內存，什么時候應該回收內存。如果是從c語言開始學習編程的，應該對malloc和free非常熟悉，再寫代碼的時候回小心翼翼的使用這兩個函數。如果是學python的，根本就不會注意到這個問題，有不會關心這個方面的問題。比較值得說明的是，在c語言中使用char列表來存儲字符串，是一件非常麻煩的事情，在java等但是，就算如此，在日常的寫程序的過程中，程序員也應該注意gc方面的問題。一個比較差的設計，可能使得gc對于整個程序的負擔非常的大，可能會發現程序中gc的時間占比非常高。

gc的原理

gc常見的方式有：

引用計數（reference counting）每個對象維護一個引用計數器，當引用該對象的對象被銷毀或者更新的時候，被引用對象的引用計數器自動減 1，當被應用的對象被創建，或者賦值給其他對象時，引用 +1，引用為 0 的時候回收，思路簡單，但是頻繁更新引用計數器降低性能，存在循環以引用（php，Python所使用的）

標記清除（mark and sweep）就是 golang 所使用的，從根變量來時遍歷所有被引用對象，標記之后進行清除操作，對未標記對象進行回收，缺點：每次垃圾回收的時候都會暫停所有的正常運行的代碼，系統的響應能力會大大降低，各種 mark&swamp 變種（三色標記法），緩解性能問題。

分代搜集（generation）jvm 就使用的分代回收的思路。在面向對象編程語言中，絕大多數對象的生命周期都非常短。分代收集的基本思想是，將堆劃分為兩個或多個稱為代（generation）的空間。新創建的對象存放在稱為新生代（young generation）中（一般來說，新生代的大小會比 老年代小很多），隨著垃圾回收的重復執行，生命周期較長的對象會被提升（promotion）到老年代中（這里用到了一個分類的思路，這個是也是科學思考的一個基本思路）。

golang中的gc原理

go1.3以前gc最大的問題在于stw(stop the word)，即在gc的時候需要暫停程序行為，然后進標記，最后將未標記的垃圾清除。如果頻繁的觸發gc的話，程序的運行就一卡一卡的。其基本的思路就是：

1.標記：在內存堆中（由于有的時候管理內存頁的時候要用到堆的數據結構，所以稱為堆內存）存儲著有一系列的對象，這些對象可能會與其他對象有關聯（references between these objects） a tracing garbage collector 會在某一個時間點上停止原本正在運行的程序，之后它會掃描 runtim e已經知道的的 object 集合（already known set of objects），通常它們是存在于 stack 中的全局變量以及各種對象。gc 會對這些對象進行標記，將這些對象的狀態標記為可達，從中找出所有的，從當前的這些對象可以達到其他地方的對象的 reference，并且將這些對象也標記為可達的對象，這個步驟被稱為 mark phase，即標記階段，這一步的主要目的是用于獲取這些對象的狀態信息。

2.回收：一旦將所有的這些對象都掃描完，gc 就會獲取到所有的無法 reach 的對象（狀態為 unreachable 的對象），并且將它們回收，這一步稱為 sweep phase，即是清掃階段。

3.清除：gc 僅僅搜集那些未被標記為可達（reachable）的對象。如果 gc 沒有識別出一個 reference，最后有可能會將一個仍然在使用的對象給回收掉，就引起了程序運行錯誤。

go在1.3的時候引入了并發清理，go team 自己的說法是減少了 50%-70% 的暫停時間。
go在1.5時候使用了三色標記法，這個是標記清除算法的一個升級變種。流程如下：

1.灰色：對象已被標記，但這個對象包含的子對象未標記

2.黑色：對象已被標記，且這個對象包含的子對象也已標記，gcmarkBits對應的位為1（該對象不會在本次GC中被清理）

3.白色：對象未被標記，gcmarkBits對應的位為0（該對象將會在本次GC中被清理）

例如，當前內存中有A~F一共6個對象，根對象a,b本身為棧上分配的局部變量，根對象a、b分別引用了對象A、B, 而B對象又引用了對象D，則GC開始前各對象的狀態如下圖所示:

1.初始狀態下所有對象都是白色的。

2.接著開始掃描根對象a、b; 由于根對象引用了對象A、B,那么A、B變為灰色對象，接下來就開始分析灰色對象，分析A時，A沒有引用其他對象很快就轉入黑色，B引用了D，則B轉入黑色的同時還需要將D轉為灰色，進行接下來的分析。

3.灰色對象只有D，由于D沒有引用其他對象，所以D轉入黑色。標記過程結束

4.最終，黑色的對象會被保留下來，白色對象會被回收掉。

go中的gc過程

GO的GC是并行GC, 也就是GC的大部分處理和普通的go代碼是同時運行的, 這讓GO的GC流程比較復雜。

1.Stack scan：Collect pointers from globals and goroutine stacks。收集根對象（全局變量，和G stack），開啟寫屏障。全局變量、開啟寫屏障需要STW，G stack只需要停止該G就好，時間比較少。

2.Mark: Mark objects and follow pointers。標記所有根對象, 和根對象可以到達的所有對象不被回收。

3.Mark Termination: Rescan globals/changed stack, finish mark。重新掃描全局變量，和上一輪改變的stack（寫屏障），完成標記工作。這個過程需要STW。

4.Sweep: 按標記結果清掃span

從1.8以后的golang將第一步的stop the world 也取消了，這又是一次優化；1.9開始, 寫屏障的實現使用了Hybrid Write Barrier, 大幅減少了第二次STW的時間.
因為go支持并行GC, GC的掃描和go代碼可以同時運行, 這樣帶來的問題是GC掃描的過程中go代碼有可能改變了對象的依賴樹。
例如開始掃描時發現根對象A和B, B擁有C的指針。

1.GC先掃描A，A放入黑色

2.B把C的指針交給A

3.GC再掃描B，B放入黑色

4.C在白色，會回收；但是A其實引用了C。

為了避免這個問題, go在GC的標記階段會啟用寫屏障(Write Barrier)。啟用了寫屏障(Write Barrier)后，在GC第三輪rescan階段，根據寫屏障標記將C放入灰色，防止C丟失。

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