0.1、索引

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文中提到的垃圾回收算法是基于go1.16之后的，讓我們直接進(jìn)入正題吧。

1、什么時(shí)候需要垃圾回收？

Go 更喜歡在堆棧上分配內(nèi)存，因此大多數(shù)內(nèi)存分配最終都會(huì)在棧上。 這意味著 Go 每個(gè) goroutine 都有一個(gè)堆棧，并且在可能的情況下，Go 會(huì)將變量分配給這個(gè)堆棧。 Go 編譯器試圖通過(guò)執(zhí)行逃逸分析來(lái)查看對(duì)象是否被外部變量引用。 如果編譯器可以確定一個(gè)變量的生命周期，它將被分配到一個(gè)堆棧中。 但是，如果變量的生命周期不明確，它將在堆上分配。 通常，如果 Go 程序有一個(gè)指向?qū)ο蟮闹羔?，則該對(duì)象存儲(chǔ)在堆上。 看看這個(gè)示例代碼：

type myStruct struct {
  value int
}
var testStruct = myStruct{value: 0}
func addTwoNumbers(a int, b int) int {
  return a + b
}
func myFunction() {
  testVar1 := 123
  testVar2 := 456
  testStruct.value = addTwoNumbers(testVar1, testVar2)
}
func someOtherFunction() {
  myFunction()
}

我們假設(shè)這是一個(gè)正在運(yùn)行的程序的一部分，因?yàn)槿绻@是整個(gè)程序，Go 編譯器會(huì)通過(guò)將變量分配到堆棧中來(lái)優(yōu)化它。 程序運(yùn)行時(shí)：

1. testStruct 被定義并放置在堆上的一個(gè)可用內(nèi)存塊中。
2. myFunction 在函數(shù)執(zhí)行時(shí)被執(zhí)行并分配一個(gè)棧。 testVar1 和 testVar2 都存儲(chǔ)在此堆棧中。
3. 當(dāng) addTwoNumbers 被調(diào)用時(shí)，一個(gè)新的棧幀被壓入棧中，并帶有兩個(gè)函數(shù)參數(shù)。
4. 當(dāng) addTwoNumbers 完成執(zhí)行時(shí)，它的結(jié)果返回給 myFunction 并且 addTwoNumbers 的堆棧幀從堆棧中彈出，因?yàn)樗辉傩枰恕?/li>
5. 指向 testStruct 的指針被定為到包含它的堆上的位置，并且值字段被更新。
6. myFunction 退出并且為其創(chuàng)建的堆棧被清理。 testStruct 的值會(huì)一直保留在堆上，直到發(fā)生垃圾回收。

testStruct 現(xiàn)在在堆上并且沒(méi)有分析，Go 運(yùn)行時(shí)不知道是否仍然需要它。 為此，Go 依賴于垃圾回收器。 垃圾回收器有兩個(gè)關(guān)鍵部分，一個(gè) mutator 和一個(gè)回收器。 回收器執(zhí)行垃圾收集邏輯并找到應(yīng)該釋放其內(nèi)存的對(duì)象。 mutator 執(zhí)行應(yīng)用程序代碼并將新對(duì)象分配給堆。 它還會(huì)在程序運(yùn)行時(shí)更新堆上的現(xiàn)有對(duì)象，其中包括在不再需要某些對(duì)象時(shí)使其無(wú)法訪問(wèn)。

2、垃圾回收器的實(shí)現(xiàn)

Go 的垃圾收集器是一個(gè)非分代并發(fā)、三色標(biāo)記和清除垃圾回收器。 讓我們分解一下這些術(shù)語(yǔ)。

什么是分代：

由于“復(fù)制”算法對(duì)于存活時(shí)間長(zhǎng)，大容量的儲(chǔ)存對(duì)象需要耗費(fèi)更多的移動(dòng)時(shí)間，和存在儲(chǔ)存對(duì)象的存活時(shí)間的差異。需要程序?qū)⑺鶕碛械膬?nèi)存空間分成若干分區(qū)，并標(biāo)記為年輕代空間和年老代空間。程序運(yùn)行所需的存儲(chǔ)對(duì)象會(huì)先存放在年輕代分區(qū)，年輕代分區(qū)會(huì)較為頻密進(jìn)行較為激進(jìn)垃圾回收行為，每次回收完成幸存的存儲(chǔ)對(duì)象內(nèi)的壽命計(jì)數(shù)器加一。當(dāng)年輕代分區(qū)存儲(chǔ)對(duì)象的壽命計(jì)數(shù)器達(dá)到一定閾值或存儲(chǔ)對(duì)象的占用空間超過(guò)一定閾值時(shí)，則被移動(dòng)到年老代空間，年老代空間會(huì)較少運(yùn)行垃圾回收行為。一般情況下，還有永久代的空間，用于涉及程序整個(gè)運(yùn)行生命周期的對(duì)象存儲(chǔ)，例如運(yùn)行代碼、數(shù)據(jù)常量等，該空間通常不進(jìn)行垃圾回收的操作。 通過(guò)分代，存活在局限域，小容量，壽命短的存儲(chǔ)對(duì)象會(huì)被快速回收；存活在全局域，大容量，壽命長(zhǎng)的存儲(chǔ)對(duì)象就較少被回收行為處理干擾?！S基百科

分代垃圾回收器專注于最近分配的對(duì)象。 但是，如前所述，編譯器優(yōu)化允許 Go 編譯器將具有已知生命周期的對(duì)象分配給堆棧。 這意味著更少的對(duì)象將在堆上，因此更少的對(duì)象將被垃圾回收。 這意味著在 Go 中不需要分代垃圾回收器。 因此，Go 使用了非分代垃圾回收器。 并發(fā)意味著回收器與 mutator 線程同時(shí)運(yùn)行。 因此，Go 使用非分代并發(fā)垃圾回收器。 標(biāo)記和清除是垃圾回收器的類型，三色是用于實(shí)現(xiàn)它的算法。

Go 通過(guò)幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)：

1、開(kāi)啟寫屏障

Go 通過(guò)一個(gè)名為 stop the world 的進(jìn)程讓所有 goroutine 到達(dá)垃圾回收安全點(diǎn)。 這會(huì)暫時(shí)停止程序運(yùn)行并打開(kāi)寫屏障以維護(hù)堆上的數(shù)據(jù)完整性。 這通過(guò)允許 goroutine 和回收器同時(shí)運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)并發(fā)。

想要在并發(fā)或者增量的標(biāo)記算法中保證正確性，我們需要達(dá)成以下兩種三色不變性（Tri-color invariant）中的一種：

• 強(qiáng)三色不變性 — 黑色對(duì)象不會(huì)指向白色對(duì)象，只會(huì)指向灰色對(duì)象或者黑色對(duì)象；
• 弱三色不變性 — 黑色對(duì)象指向的白色對(duì)象必須包含一條從灰色對(duì)象經(jīng)由多個(gè)白色對(duì)象的可達(dá)路徑；
  

一旦所有的 goroutine 都打開(kāi)了寫屏障，Go 運(yùn)行時(shí)就會(huì)starts the world并讓workers執(zhí)行垃圾回收工作。

2、標(biāo)記階段

標(biāo)記是通過(guò)使用三色算法實(shí)現(xiàn)的。 當(dāng)標(biāo)記開(kāi)始時(shí)，根對(duì)象是灰色的，其他對(duì)象都是白色的。 根是所有其他堆對(duì)象的源對(duì)象，并作為運(yùn)行程序的一部分被實(shí)例化。 垃圾回收器通過(guò)掃描堆棧、全局變量和堆指針開(kāi)始標(biāo)記以了解正在使用的內(nèi)容。 掃描堆棧時(shí)，workers 停止 goroutine 并通過(guò)從根向下遍歷將所有找到的對(duì)象標(biāo)記為灰色。 掃描完成恢復(fù) goroutine。

三色標(biāo)記的工作原理：

1. 從灰色對(duì)象的集合中選擇一個(gè)灰色對(duì)象并將其標(biāo)記成黑色；
2. 將黑色對(duì)象指向的所有對(duì)象都標(biāo)記成灰色，保證該對(duì)象和被該對(duì)象引用的對(duì)象都不會(huì)被回收；
3. 重復(fù)上述兩個(gè)步驟直到對(duì)象圖中不存在灰色對(duì)象；

下圖是準(zhǔn)備標(biāo)記：

下圖為當(dāng)有新對(duì)象生成時(shí)，因?yàn)殚_(kāi)啟了寫屏障，會(huì)直接標(biāo)記為黑色

下圖為根對(duì)象可達(dá)的對(duì)象都標(biāo)記為黑色

3、清理階段

然后將灰色對(duì)象排入隊(duì)列以變?yōu)楹谏?，這表明它們?nèi)栽谑褂弥小?一旦所有灰色物體都變成黑色，回收器將再次stop the world并清理所有不再需要的白色節(jié)點(diǎn)。 然后應(yīng)用程序現(xiàn)在可以繼續(xù)運(yùn)行，直到它需要再次清理更多內(nèi)存。

下圖為STW然后清理白色對(duì)象

下圖為清理之后，恢復(fù)程序運(yùn)行

一旦程序分配了與正在使用的內(nèi)存成比例的額外內(nèi)存，此過(guò)程將再次啟動(dòng)。 GOGC 環(huán)境變量決定了這一點(diǎn)，默認(rèn)設(shè)置為 100。 Go 源代碼將其描述為：

如果 GOGC=100 并且我們使用 4M，我們將在達(dá)到 8M 時(shí)再次進(jìn)行 GC（此標(biāo)記在 next_gc 變量中跟蹤）。 這使 GC 成本與分配成本成線性比例。 調(diào)整 GOGC 只會(huì)改變線性常數(shù)（以及使用的額外內(nèi)存量）。

網(wǎng)站題目：golang垃圾回收
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