Go 语言的 GC 垃圾回收

序言

 垃圾回收（Garbage Collection，简称 GC）机制 是一种自动内存管理技术，主要用于在程序运行时自动识别并释放不再使用的内存空间，防止内存泄漏和不必要的资源浪费。这篇文章让我们来看一下 Go 语言的垃圾回收机制是如何设计的吧。

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一、为什么需要垃圾回收？

 熟悉 C/C++ 编程的同学肯定清楚自己手动管理内存的手段：

• 分配内存：malloc, new
• 释放内存：free, delete

对待内存管理一定要小心谨慎，不然稍有疏漏就会引起以下严重的问题：

• 忘记释放内存 → 内存泄漏
• 多次释放同一块内存 → 崩溃或未定义行为
• 访问已释放的内存 → 悬空指针

所以说垃圾回收机制大大的提高了内存管理的下限，但是同时这是以一定的性能开销换取的。

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二、Go 垃圾回收机制

 我们现在看到的机制都是比较完善的，但是很多时候我们不明白他为什么要这么做，有什么好处？这是因为我们站在巨人的肩膀上，机制是在使用中不断完善的。所以看事情不能只看现在，明白他大致来时候的路是必要的。

2.1 标记-清扫式垃圾回收（Mark-Sweep GC）

2.1.1 回收流程

 首先当前执行的逻辑暂停（也称为 Stop-The-World STW），然后标记所有存活对象。从根对象（比如全局变量、当前栈中的局部变量等）开始遍历所有被引用的对象，并将对象标记为存活状态：

现在标记的动作完成了，需要回收没有被引用的空间了。遍历整个堆的空间，然后对于没有被标记的对象，释放其内存：

最后便是恢复程序的执行了，可以看出刚开始的机制还是比较简单的。

2.1.2 Mark-Sweep 的缺点

 STW 时间长降低了程序的执行的效率。如果当前的程序对于空间的申请和释放的操作比较频繁时，执行时的卡顿感会愈发的强烈，因为 STW 这段时间程序是被阻塞的，无法正常运行。
 内存碎片化严重。清扫后会产生很多小块的空闲内存，可能导致大对象无法分配，降低了内存的利用率。
 扫描整个堆。如果当前堆比较大的话，也会拉长 STW 的时间。

这个方式是在 Go V1.4 之前使用的，现在被替换了，但是作为一个引子还是不错的。

2.2 三色并发垃圾回收（Tri-color Concurrent GC ）

2.2.1 回收流程

 首先在每次创建新的对象的时候将该对象标记为 白色：

现在触发 GC 了，从根节点遍历，将该节点 root 指向的堆对象从 white 表 放入 grey 表，由于这里只有一个根对象，所以这里只需要处理 a ：

根上的对象遍历完成了，现在遍历 grey 表 将节点 a 指向的对象也全放入 grey 表 ，同时将 a 放入 black 表 表示他的可达对象处理完成了：
之后重复第二部操作直至 grey 表 的数据为空：

到最后我们发现 white 表 只剩下了一个不可达对象 f，这个就是需要回收的空间。纵观整个过程，其实就是一个广度遍历来查找不可达对象的过程。
 比较现有的两个机制，后者一个很大优点就是 不需要遍历整个堆来查找不可达对象，因为最开始的时候就记录了创建的每一个对象。但是我们这里好像少了些什么，不需要 STW 吗？

2.2.2 假设没有 STW

 就比如 e 其实是一个可达对象的，但是由于在执行回收的过程中当前的程序也在正常的执行，让 d 和 e 断开连接并让一个新的根节点（比如局部变量）指向 e：

因为对根节点的遍历只在最初执行一遍，后续不会再遍历了导致错误地判定 e 为不可达对象释放该空间，这不就错误地释放空间了吗（也称为 漏标）。
 最直接的方式就是在回收的过程中加上 STW，但是这个方式的弊端上面也说过了。那怎么办呢？减少 STW 的时间。

2.2.3 屏障机制

1. 强弱三色不变式

 由于程序的执行和垃圾回收的过程是并发的，就导致了错误地回收了某些还需要继续使用的对象。为了避免这种情况，引入了 三色不变式。
 强三色不变式，所有黑对象不能直接或间接引用白对象。也就是说：如果一个对象已经是黑色，它不能指向任何未被标记的白色对象。
 弱色不变式。所有白对象可以被黑色对象引用，但是这个白色对象必须存在着其他灰色对象对他的引用。

2. 插入写屏障

满足：强三色不变式
操作：当一个黑色对象引用一个白色对象之前，先将该白色对象修改为灰色对象，在建立引用：

并且这里还有一个机制是 插入写屏障只作用于堆对象。因为栈上的变量变更比较频繁， 如果一变更我们就去执行插入写屏障会非常的耽误时间。作为补偿，会在整体三色标记清除之后，专门对栈上的空间执行次三色标记扫描并加上 STW 保护。

3. 删除写屏障

满足：弱三色不变式
操作：当一个白色对象被上游删除引用时，会将将自己修改为灰色对象：

这种方式其实也是延迟回收策略，当真正想删除该对象时，这一轮他会存活下来，但是下一轮肯定会被带走。

2.3.4 Tri-color Concurrent 的缺点

 这两种方式任选一种即可解决漏标的问题，Go V1.8 及以前使用的是删除写屏障。该种方式的缺点是：

• 回收精度偏低。本次 GC 过程中需要删除的对象会在下一轮清除

而插入写屏障的缺点也不小：

• 会在结束时扫描整个栈，并且伴随着 STW

那是否可以取长补短互相融合呢？

2.3 混合写屏障机制（Hybrid Write Barrier）

 将栈上的对象扫描之后全部标记为 黑色，期间任何新增的对象标记为 灰色，任何被删除的对象也标记为 灰色。这样节省了扫描整个栈并伴随的 STW 带来的性能消耗。

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三、总结

 现在纵观大体的发展路线，你是否可以理解：混合写屏障（Hybrid Write Barrier）是一种改进型写屏障机制，它结合了 删除写屏障 和 插入写屏障 的优点，在并发三色标记中有效地防止漏标问题，并显著减少了 STW 时间。