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golang入門系列之Go GC

2020-10-08 13:00:48

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前言

      因為之前作為興趣粗略的研究過Java的各種垃圾回收（CMS、G1、ZGC等），今天來大概瞭解一下Go的GC，如有錯誤，歡迎斧正。

一、先來了解一下常見GC演演算法

常見的 GC 演演算法。參照計數法、複製演演算法、標記-清除法、標記整理法、三色標記法、分代收集法。

1. 參照計數法

  • 原理是在每個物件內部維護一個整數值，叫做這個物件的參照計數；
  • 當物件被參照時參照計數加一，當物件不被參照時參照計數減一。當參照計數為 0
    時，自動銷燬物件。
    簡單但是速度很慢，缺陷是不能處理迴圈參照的情況。

2. 複製演演算法、標記-清除法、標記整理法

這哥仨是JVM的，今天不是主角，就簡單說說

  • 複製演演算法：一塊空間均等割裂成兩塊，存活的複製過去，另一塊清理；其實瞭解Java的都知道年輕代其實不是均等隔成兩塊，是8：1：1劃分。好處是實現簡單，執行高效，缺點也看到了，記憶體縮小為原來的一半。
  • 標記-清除法：首先標記出所有需要回收的物件（Java是通過GCRoot），在標記完成後統一回收所有被標記的物件。缺點：記憶體碎片；
  • 標記整理法：標記過程仍然與」標記-清除」演演算法一樣，但是後續步驟不是直接對可回收物件進行清理，而是讓所有存活的物件都向一端移動，然後直接清理掉端邊界意外的記憶體。解決記憶體碎片，代價是時間。


3. 分代收集

分代收集是傳統 Mark-Sweep 的一個改進。這個演演算法是基於一個經驗：絕大多數物件的生命週期都很短。所以按照物件的生命週期長短來進行分代。

一般 GC 都會分三代，在 java 中稱之為新生代（Young Generation）、年老代（Tenured Generation）和永久代（Permanent Generation）；在 .NET 中稱之為第 0 代、第 1 代和第2代。

原理如下：

新物件放入第 0 代
當記憶體用量超過一個較小的閾值時，觸發 0 代收集
第 0 代倖存的物件（未被收集）放入第 1 代
只有當記憶體用量超過一個較高的閾值時，才會觸發 1 代收集
2 代同理
因為 0 代中的物件十分少，所以每次收集時遍歷都會非常快（比 1 代收集快幾個數量級）。只有記憶體消耗過於大的時候才會觸發較慢的 1 代和 2 代收集。

因此，分代收集是目前比較好的垃圾回收方式。使用的語言（平臺）有 jvm、.NET 。


4. 三色標記法

三色標記法是傳統 Mark-Sweep 的一個改進，是一個並行的 GC 演演算法。

首先做個規定：

  1. 初始所有物件都是白色（未遍歷到）
  2. 從根出發能可達的物件是灰色
  3. 子節點遍歷完的物件是黑色

有了這個，我們來看演演算法：

  1. 初始所有物件都是白色。
  2. 從根出發掃描所有可達物件，標記為灰色，放入待處理佇列。
  3. 從佇列取出灰色物件，將其參照物件標記為灰色放入佇列，自身標記為黑色。
  4. 重複 3，直到灰色物件佇列為空。此時白色物件即為垃圾，進行回收。

像CMS和G1都是用到了這個，只是做了億點點改進，而且三色標記會產生浮動垃圾，這是不可避免的，而且CMS就是在三色標記這塊有個大bug導致STW有時候巨長，所以JDK沒用他做預設垃圾回收器，但是CMS仍然是一個承上啟下的開創性的並行垃圾回收器。

二、現在來看Go GC

1. GC流程

GO的GC是並行GC, 也就是GC的大部分處理和普通的go程式碼是同時執行的, 這讓GO的GC流程比較複雜.

  • Stack scan：Collect pointers from globals and goroutine stacks。收集根物件（全域性變數，和G stack），開啟寫屏障。全域性變數、開啟寫屏障需要STW。
  • Mark: Mark objects and follow pointers。標記所有根物件,和根物件可以到達的所有物件不被回收。
  • Mark Termination: Rescan globals/changed stack, finish mark。重新掃描全域性變數，和上一輪改變的stack（寫屏障），完成標記工作。這個過程需要STW。
  • Sweep: 按標記結果清掃span

目前整個GC流程會進行兩次STW(Stop The World), 第一次是Stack scan階段, 第二次是Mark Termination階段.

第一次STW會準備根物件的掃描, 啟動寫屏障(Write Barrier)和輔助GC(mutator assist).
第二次STW會重新掃描部分根物件, 禁用寫屏障(Write Barrier)和輔助GC(mutator assist).

從1.8以後的golang將第一步的stop the world 也取消了，這又是一次優化；
1.9開始, 寫屏障的實現使用了Hybrid Write Barrier, 大幅減少了第二次STW的時間.

2. GC觸發條件

主動的話，通過呼叫 runtime.GC()，這是阻塞式的。

自動垃圾回收的觸發條件有兩個：

  1. 超過記憶體大小閾值
  2. 達到定時時間

閾值是由一個gcpercent的變數控制的,當新分配的記憶體佔已在使用中的記憶體的比例超過gcprecent時就會觸發。

比如一次回收完畢後，記憶體的使用量為5M，那麼下次回收的時機則是記憶體分配達到10M的時候。也就是說，並不是記憶體分配越多，垃圾回收頻率越高。

如果一直達不到記憶體大小的閾值呢？這個時候GC就會被定時時間觸發，比如一直達不到10M，那就定時（預設2min觸發一次）觸發一次GC保證資源的回收。