Go高阶15，垃圾回收、三色标记原理，终于能跟面试官扯皮了！

发表于 3年以前 | 总阅读数：322 次

垃圾回收(Garbage Collection，简称GC)是编程语言中自动的内存管理机制，垃圾回收，垃圾指的是不再需要的内存块，如果不及时清理就没有办法再利用。

垃圾回收算法

常见的垃圾回收算法有：

引用计数：每个对象维护一个引用计数，如果这个对象被销毁，则计数 -1 ，当计数为 0 时，回收该对象。
优点：对象可以很快被回收，不会出现内存耗尽或到达阀值才回收。
缺点：不能很好的处理循环引用
标记-清除：从根变量开始遍历所有引用的对象，引用的对象标记“被引用”，没有被标记的则进行回收。
优点：解决了引用计数的缺点。
缺点：需要 STW（stop the world），暂时停止程序运行。
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。
优点：回收性能好
缺点：算法复杂

Go 语言的 GC（垃圾回收）

标记-清除(mark and sweep)

此算法是在Go V1.3 之前使用的，主要有两个主要的步骤：

标记(Mark phase)——》清除(Sweep phase)

1 . 暂停程序业务逻辑, 找出不可达的对象，然后做上标记。

注意：mark and sweep 算法在执行的时候，需要程序暂停！也就是所谓的 STW(stop the world)。这段时间程序会卡住。

程序可达对象为 1、2、4

2 . 开始标记，找出所有可达的对象，并标记

对象 1、2、4 做上标记

3 . 清除未被标记的对象

4 . 程序暂停取消。然后重复上面的过程，直至程序生命周期结束。

三色并发标记法

此算法是在Go V1.5 开始使用的，三色只是为了叙述上方便抽象出来的一种说法，实际上对象并没有颜色之分。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，该对象不会在本次GC中被清理
白色：对象未被标记，该对象将会在本次GC中被清理

初始状态下所有对象都是白色的。
从根节点开始遍历所有对象，把遍历到的对象变成灰色对象(备注：这里变成灰色对象的都是根节点的对象)。
遍历灰色对象，将灰色对象引用的对象(备注：这里指的是灰色对象引用到的所有对象，包括灰色节点间接引用的那些对象)也变成灰色对象，然后将遍历过的灰色对象变成黑色对象。
循环步骤3，直到灰色对象全部变黑色。
通过写屏障(write-barrier)检测对象有变化，重复以上操作(备注：因为 mark 和用户程序是并行的，所以在上一步执行的时候可能会有新的对象分配，写屏障是为了解决这个问题引入的)。
收集所有白色对象（垃圾）。

举例说明：

1 . 初识阶段，所以对象均为白色，调用情况为：

root ->A->B/A->C/A<->D； root->F; E; G->H;

2 . GC 开始扫描，从根节点开始遍历,发现只有 A 和 F 是根节点，于是将 A、F 从变为灰色对象。 3 . GC 继续扫描灰色对象，会将灰色对象的节点中引用的节点也变为灰色对象，A 节点引用的节点B、C、D 会被变为灰色对象，接着 A 的所有子节点遍历完毕，便会变为黑色对象，而 F 节点没有子节点，也会变为黑色对象。

4 . GC 会循环遍历灰色对象，直到灰色对象之中没有节点为止，在本例中，发现B、C、D 都没有子节点是白色，便将B、C、D 都变为黑色对象。

5 . 剩下E、G、H 为白色对象，GC 便进行回收这些白色对象。

6 . 上面的垃圾回收结束之后，GC 会在进行一步操作，也就是将黑色对象重新变色成白色对象，供下一次垃圾回收使用。

Stop The World

Golang 中的 STW（Stop The World）是停掉所有的 goroutine，专心做垃圾回收，待垃圾回收结束后再恢复 goroutine。STW 时间的长短直接影响了应用的执行，时间过长对于一些web 应用来说是不可接受的，这也是广受诟病的原因之一。为了缩短 STW 的时间，Golang 不断优化垃圾回收算法，这种情况得到了很大的改善。

垃圾回收优化

写屏障(Write Barrier)

STW 目的是防止 GC 扫描时内存变化而停掉 goroutine，而写屏障就是让 goroutine 与GC同时运行的手段。虽然写屏障不能完全消除STW，但是可以大大减少STW的时间。写屏障类似一种开关，在 GC 的特定时机开启，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。GC 过程中新分配的内存会被立即标记，用的并不是写屏障技术，也即GC过程中分配的内存不会在本轮GC中回收。

辅助GC(Mutator Assist)

为了防止内存分配过快，在 GC 执行过程中，如果 goroutine 需要分配内存，那么这个 goroutine 会参与一部分GC的工作，即帮助 GC 做一部分工作，这个机制叫作 Mutator Assist。

垃圾回收触发时机

每次内存分配时都会检查当前内存分配量是否已达到阀值，如果达到阀值则立即启动 GC。内存增长率由环境变量 GOGC 控制，默认为100，即每当内存扩大一倍时启动GC。 阀值 = 上次GC内存分配量 * 内存增长率
默认情况下，最长2分钟触发一次GC。
程序代码中也可以使用 runtime.GC() 来手动触发GC。这主要用于GC性能测试和统计。