【面试八股总结】GC垃圾回收机制

        垃圾回收策略（Garbage Collection，GC）用于回收不再使用的内存，避免系统的内存被占满。Go1.3之前采用标记清除法， Go1.3之后采用三色标记法，Go1.8采用三色标记法+混合写屏障。

前置概念：

1）根对象：应用程序中可以直接或间接访问的对象，主要包括：

• 全局变量：在程序编译期间就能确定，全局变量存在于程序的整个生命周期
• 执行栈：Go语言中协程是分配在堆上，每个协程都含有自己的执行栈
• 寄存器：寄存器的值可能表示一个指针，这些指针可能指向某些赋值器分配的堆内存区

2）STW(Stop-The-World)：系统在执行特定操作时，暂停所有应用程序线程，直到某个特定的事件发生或处理完成。

1. 标记清除法

具体步骤：

1）首先从根对象出发，标记所有可达对象。

        这一过程通常使用深度优先搜索或广度优先搜索进⾏。标记的方式通常是将对象的标记位从未标记改为已标记。

2）在清扫阶段，遍历整个堆内存，将未被标记的对象视为垃圾，即不再被引用。所有未被标记的对象都将被回收，它们的内存将被释放，以便后续的内存分配。

        标记清除算法执行完清扫阶段后，可能会产生内存碎片，即一些被回收的内存空间可能是不连续的。为了解决这个问题，一些实现中可能会进行内存碎片整理。

总结：

        标记清除算法的主要优势是能够回收不再使用的内存，但它也有一些缺点，其中主要的缺点是清扫阶段可能会引起一定程度的停顿，因为在这个阶段需要遍历整个堆内存。另外，由于标记清除算法只关注“存活”和 “垃圾”两种状态，不涉及内存分配的具体位置，可能导致内存碎片的产生。

2. 三色标记法

        三色标记是指将对象分为三种颜色：白色、灰色、和黑色。

（1）白色：代表最终需要清理的对象内存块

（2）灰色：待处理的内存块

（3）黑色：活跃的内存块

具体步骤：

1）初始时，所有对象都被标记为白色，表示它们都是未被访问的垃圾对象。

2）根搜索：从根对象开始搜索，所有根对象被标记为灰色，表示它们是待处理的对象。

3）标记阶段：从灰色对象开始，垃圾回收器遍历对象的引用关系，将其引用的对象标记为灰色，然后当前该对象标记为黑色。重复这一步骤，直到所有可达对象都被标记为黑色。

4）清扫阶段：在标记完成后，垃圾回收器会扫描堆中的所有对象，将未被标记的对象回收（释放其内存）。这些未被标记的对象被认为是不可达的垃圾。

5）内存返还：垃圾回收完成后，系统中的内存得以回收并用于新的对象分配。

总结：

        1）优点：在标记阶段，垃圾回收器采用并发标记的方式，与程序的执行同时进行。这意味着程序的执行不会因为垃圾回收停顿，减小了对程序性能的影响。

        2）缺点：如果对象的引用被用户修改了，那么之前的标记就⽆效了。        

        3）垃圾回收的触发条件通常是在分配新对象时，如果达到⼀定的内存分配阈值，就会触发垃圾回收。 另外，⼀些特定的事件（如系统调用、网络阻塞等）也可能触发垃圾回收。       

3. 三色标记法+混合写屏障

        屏障技术可以理解为一种回调机制，在程序的某种执行过程中加一个判断机制，满足判断机制则执行回调函数，类似于钩子函数（Hook）。

        实际上，垃圾回收机制只用于回收堆上的内存，栈中的内存如局部变量、函数调用等会在调用结束后自动释放。也就是说，屏障机制只能作用于堆对象。屏障机制分为插入写屏障和删除写屏障：

• 插入写屏障实现了强三色不变性，给对象添加引用关系时触发
• 删除写屏障实现了弱三色不变性，删除对象引用关系时触发

• 强三色不变性强制性的不允许黑色对象引用白色对象；
• 弱三色不变性允许黑色对象引用白色对象，但是白色对象必须存在其他灰色对象对它的引用。

插入写屏障：每当一个对象被引用，就会触发判断：如果这次操作是一个白色对象被黑色对象引用，就把这个白色对象标记为灰色

删除写屏障：每当一个对象被删除时，就会触发判断：如果是一个灰色对象引用的白色对象被删除，那么就把这个白色对象标记为灰色

插入写屏障和删除写屏障都有各自的短板：

• 插入写屏障结束时需要 STW（标记清除）重新扫描栈

• 删除写屏障回收精度低，在开始时需要 STW 扫描整个堆栈记录初始快照

        基于插入写屏障和删除写屏障在结束时需要STW来重新扫描栈，带来性能瓶颈。混合写屏障分为以下四步:

1. GC开始时，将栈上的全部对象标记为黑色（不需要二次扫描，无需STW）；

2. GC期间，任何栈上创建的新对象均为黑色 

3. 被删除引用的对象标记为灰色 

4. 被添加引用的对象标记为灰色

        因此，一次完整的GC分为四个阶段：

1. 准备标记（需要STW），开启写屏障。
2. 开始标记
3. 标记结束（STW），关闭写屏障
4. 清理（并发）

总结：

        标记清除法需要一次全局 STW，先标记可达对象，再清除所有的不可达对象，性能很差；

        三色标记法身无法在并发条件下正确执行，单独使用也需要 STW 才能保证正确性；

        为了优化这一过程，避免全局 SWT，引入了插入写屏障，插入写屏障是一种触发机制，每当一个对象被引用时，如果是黑色对象引用白色对象，就把这个白色对象置灰，但是由于屏障机制无法作用到栈对象，为了避免与栈相关的活跃对象被错误回收，需要在三色标记法结束后，对栈做一次 STW，清除掉垃圾对象；插入写屏障虽然优化了全局 SWT，但是每次GC也需要对栈上的一次 STW；

        为了解决这一问题，最终的方案是混合写屏障，混合写屏障的触发机制有两个：被删除的对象会被标记为灰色，被添加的对象会被标记为灰色；同时在开始时会把栈上所有可达对象置黑，栈上对象被创建时也会置黑。这样就记录了栈上的对象状态，避免了错误回收活跃对象；

        混合写屏障结合了插入写屏障和删除写屏障的优点，避免了在插入写屏障结束后需要进行全栈扫描的性能问题，实现了更高效的垃圾回收机制。

参考：代码随想录、Go语言的垃圾回收机制，图文并茂 一篇搞懂！_go垃圾回收-CSDN博客