go垃圾回收[5]—栈与栈对象

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前情回顾

• [山雨欲来—Go垃圾回收连续剧预告]
• [激荡60年——垃圾回收与Go的选择]
• [go垃圾回收[2]—标记准备]
• [go垃圾回收[3]—并行标记执行模式]
• [go垃圾回收[4]—根对象与全局扫描]

栈扫描

在进行根对象扫描的过程中，栈扫描是其中最重要的部分。因为在一个程序中，可能会有成千上万的协程栈。栈扫描需要编译时与运行时的共同努力，运行时能够计算出当前协程栈的所有栈帧信息，而编译时能够得知栈上哪些地方有指针，以及对象中的哪一个部分包含了指针。

每一个函数在执行过程中都使用一块栈内存用来保存返回地址、局部变量、函数参数等，我们将这一块区域称为某函数的栈帧(stack frame)。

当发生函数调用时，因为调用者还没有执行完，其栈内存中保存的数据还有用，所以被调用函数不能覆盖调用者的栈帧，只能把被调用函数的栈帧压栈，等被调函数执行完成后再把其栈帧出栈。这样，栈的大小就会随函数调用层级的增加而生长，随函数的返回而缩小，也就是说函数调用层级越深，消耗的栈空间就越大。

因为数据是以先进先出的方式添加和删除的，所以基于堆栈的内存分配非常简单，并且通常比基于堆的动态内存分配内存快得多。另外，当函数退出时，堆栈上的内存会自动高效地回收，这是垃圾回收一种最初的形式。虽然维护和管理函数的栈帧非常重要，但是通常对于高级编程语言来说是隐藏的。例如Go语言中借助于编译器，在开发中不用关心局部变量在栈中的布局与释放。许多计算机指令集在硬件级别提供了用于管理栈的特殊指令，例如80x86指令集提供的SP寄存器用于管理栈，

以A函数调用B函数为例，抽象的函数栈的结构如下所示。

Go语言中实际的栈帧布局如下所示（源代码中的注释）：

运行时可以计算出当前栈帧的函数参数、函数本地变量、寄存器信息SP、BP等一系列信息。

对每一个栈帧函数中的参数和局部变量，都需要对其进行扫描，扫描该对象是否仍然在使用。如果在使用，需要扫描bytedata位图判断对象中是否包含指针，如果包含指针则需要进行标记。其中函数执行到某一位置时，与某个参数和局部变量对应的位图bytedata是借助于编译时计算出来的。

func scanframeworker(frame *stkframe, state *stackScanState, gcw *gcWork) {
    // 扫描局部变量
    if locals.n > 0 {
            size := uintptr(locals.n) * sys.PtrSize
            scanblock(frame.varp-size, size, locals.bytedata, gcw, state)
        }

    // 扫描函数参数
        if args.n > 0 {
            scanblock(frame.argp, uintptr(args.n)*sys.PtrSize, args.bytedata, gcw, state)
        }
}

什么情况下对象可能没有在使用了呢？例如如下所示，当foo()函数执行到调用bar() 函数时，局部对象t就已经没有被使用了，所以即便对象t中有指针，位图bytedata中全为0，代表参数不再被使用。一个不再被使用的对象，可以被回收，不需要再进行扫描。

func  foo(){
     t := T{}
     t.a = 2
   bar()
}

栈对象(stack object)

在Go语言早期就是通过上述方式对协程栈中的对象进行扫描的。但是这种方法在有些情况下会出现问题，例如在如下函数中, 对象t首先被p所引用，但是在之后的程序中，变量p的值发生了变化，这意味着，t其实并没有使用了。但是编译器由于难以知道P在何时会重新赋值导致t不再被引用，因此,编译器会采取保守的策略认为t对象仍然存在，从而，如果对象t中有指针指向了堆内存,就造成了内存泄露问题。因为这部分内存本应该被释放。

t := T{...}
p := &t
for {
    if … {
         p = … 
    }
}

为了解决内存泄露的问题，Go语言引进了 栈对象(stack object) 的概念。栈对象是在栈上能够被寻址的对象。例如上例中的t，由于其能够被&t的形式寻址，其一定在栈上有地址。所以t就被叫做 栈对象。因为并不是所有的变量都会存储在栈上，例如存储在寄存器中的变量就是不能被寻址的。

首先，编译器会在编译时将所有的栈对象记录下来，在垃圾回收期间，所有的栈对象会存储到一颗二叉搜索树中。接着，第二步将栈中所有可能指向栈对象的指针都进行追踪。

如下所示，假设F为一个局部变量指针，其引用了栈帧上的栈对象E→C→D→A, 因此说明栈对象E、C、D、A都是存活的，需要被扫描。 相反如果栈对象B没有被扫描，并且接下来在foo()函数中没有使用到B对象，那么B栈对象不会被扫描，从而解决了内存泄露问题。

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