Golang中GC和三色屏障机制【Golang面试必考】

Go v1.3 标记—清楚(mark and sweep)方法

• 主要流程

  • 暂停程序业务逻辑，找出可达对象和不可达对象；
  • 开始标记，程序找出它所有可达的对象，并做上标记；
  • 标记完了之后，然后开始清除未标记的对象；
  • 停止暂停，让程序继续跑，然后循环重复这个过程，直到process程序声明周期结束；

• 标记清除整体逻辑

• 标记清除的缺点

  • STW,stop the world ;让程序暂停，程序出现卡顿
  • 标记需要扫描整个heap；
  • 清楚数据会产生heap碎片；【如果地址不连续】

  其中最大的问题还是因为STW太费时间，早期的探索是通过将sweep阶段移到STW之外，这确实是一种改善的方法，但是始终难以改变这种低级效能。所以需要尝试采用新的标记模式来代替清楚标记法(mark-sweep)—三色标记法。

Go V1.5 三色标记法

• 主要流程

主要的流程如下【广度优先搜索】：

• 只要是新创建的对象，默认的颜色都是标记为"白色"；
• 每次GC回收开始，然后从根节点开始遍历所有对象，把遍历到的对象从白色集合中放入"灰色"集合中；
• 遍历灰色集合，将灰色对象引用的对象从白色集合放入灰色集合，之后将原先的灰色对象放入黑色集合当中；
• 重复第三步，直到灰色中无任何对象；
• 回收所有白色标记表的对象，也就是回收垃圾；

三色标记过程无STW的问题

• 如果三色标记中不启动STW会怎么样？

简单来说，就是没有STW，那么如果对象2对对象3依赖的指针取消了，而对象四新建了一个对对象3的依赖，那么按照之前的原则，每次都是对灰色节点进行遍历，所以这个时候，无法将对象3标记为灰色，故会造成错误。

• 三色标记最不希望发生的事情

  • 条件1:一个白色对象被黑色对象引用（白色挂在黑色下）
  • 条件2:灰色对象与它之间的可达关系的白色对象遭到破坏(灰色同时丢了该白色)

  以上两个条件同时满足就会发生对象的丢失。因此有必要使用STW，但是应当尽可能的提高GC效率，减少STW时间。

强弱三色不变式

• 强三色不变式

  强制性的不允许黑色对象引用白色对象。

• 弱三色不变式

  黑色对象可以引用白色对象，但是白色对象存在其他灰色对象对它的引用，或者可达它的链路上游存在灰色对象。

在三色标记中如果满足强/弱之一，即可保证对象不丢失。为了使用上面这种思想，引入了屏障。

插入写屏障

• 屏障的理解
  

• 屏障机制

  • 插入屏障：对象被引用的时候触发的机制

    在A对象引用B对象的时候，B对象被标记为灰色(将B挂在A下游，B必须被标记为灰色)【强三色不变式】

    // 伪码
    添加下游对象(当前下游对象slot,新下游对象ptr){// 1标记灰色(新下游对象)// 	2当前下游对象slot = 新下游对象ptr
    }
    

    ⭐️⭐️⭐️一般为了保证效率，不会在栈上使用插入屏障。【栈不触发插入屏障，是因为栈上的内存会随着栈销毁而回收，除非触发内存逃逸】

也就是说在堆上的对象才会启用插入屏障。在准备回收白色前，重新遍历扫描一边栈空间，此时加STW暂停保护栈，防止有外界干扰(有新的白色被黑色添加)

插入写屏障的不足就是在结束时需要用STW来重新扫描栈，大约需要10ms~100ms

• 删除屏障：当引用关系被删除的时候触发的机制

  具体操作：被删除的对象，如果自身或者上游对象为灰色或者白色，那么被标记为灰色【满足弱三色不变式，保护灰色对象到白色对象的路径不会断】

  // 伪代码
  添加下游对象(当前下游对象slot,新下游对象ptr) 「
  // 1
  if (当前下游对象slot是灰色 || 当前下游对象slot是白色) {标记灰色(新下游对象ptr)
  }
  // 2
  当前下游对象slot = 新下游对象ptr
  

  删除写屏障的不足之处在于回收精度低，一个对象及时被删除了最后一个指向它的指针也依旧可以活过这一轮，在下一轮GC中被清理掉。

Go V1.8的三色标记法+混合写屏障机制

• 具体操作

  • GC开始将栈上的对象全部扫描并标记为黑色(之后不在进行第二次重复扫描，无需STW)
  • GC期间，任何在栈上创建的新对象，均为黑色
  • 被删除的对象标记为灰色
  • 被添加的对象标记为灰色

  变形的弱三色不变式(结合插入、删除写屏障两者的优点)

  //伪码
  添加下游对象(当前下游对象slot,新下游对象ptr){// 1标记灰色(当前下游对象slot)// 2标记灰色(新下游对象)// 3当前下游对象slot = 新下游对象ptr
  }
  

混合写屏障场景

场景1:对象被一个堆对象删除引用，成为栈对象的下游

// 伪代码
// 前提：堆对象->对象7 = 对象7；// 对象7 被 对象4 引用
栈对象1->对象7 = 堆对象7;// 将堆对象7挂载在 栈对象 下游
堆对象4->对象7 = null；//对象4 删除引用 对象7 

对象4删除了对象7的引用关系，因为对象4是堆区，所以触发删除屏障，标记被删除的对象7为灰。【注意这个地方不能认为栈里面元素添加一个就直接标记为黑色，因为栈的区域不启用屏障】

场景2:对象被一个栈对象删除引用，成为另一个新建栈对象的下游

(1)、新创建一个对象9在栈上(因为是混合写屏障模式中，GC过程汇总任何在栈中新创建的对象均标记为黑色)

(2)、对象9添加下游引用栈堆对象3(直接添加，栈不启动屏障，无屏障效果)

(3)、对象2删除对象3的引用关系(直接删除，栈不启动写屏障，无屏障效果)

场景3:对象被一个堆对象删除引用，成为另一个堆对象的下游

//伪代码
堆对象10 -> 对象7 = 堆对象7; // 将堆对象7 挂在 堆对象10 下游
堆对象4 -> 对象7 = null; // 对象4 删除引用 对象7

(1)、堆对象10已经扫描标记为黑(黑色情况比较特殊，其他颜色暂不考虑)。

(2)、堆对象10添加下游引用堆对象7，触发屏障机制，被添加的对象标记为灰色，对象7变成灰色（对象6被保护）。

(3)、堆对象删除下游引用堆对象7，触发屏障机制，被删除的对象标记为灰色，对象7被标记为灰色。

场景4:对象从一个栈对象删除引用，成为另一个堆对象的下游

// 伪代码
栈对象1 -> 对象2 = null; // 对象1 删除引用 对象2
栈对象4 -> 对象2 = 栈对象2 // 对象4 添加栈对象2
堆对象 -> 对象7 = null; // 对象4 删除一个对象7

(1)、栈对象1删除对堆对象2的引用。(栈空间不触发写屏障)。

(2)、堆对象将之前引用对象7的关系，转移至对象2（对象4删除对象7的引用关系）。

(3)、对象4在删除的时候，触发写屏障，标记被删除对象7为灰色。保护对象7及其下游节点。

总结

Go V1.3 使用普通标记清除法，整体过程需要STW，效率极其低

Go V1.5 三色标记法，堆空间启动写屏障，栈空间不启动，全部扫描一次后，需要重新扫描一次栈（需要STW），效率极其普通

Go V1.8 三色标记法+混合写屏障机制，堆空间启动，栈空间不启动，整体过程几乎不需要STW，效率较高