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go語言需要手動管理記憶體嗎

2022-12-16 18:00:59

go語言不需要手動管理記憶體；go語言內建記憶體管理功能（GC機制），是一種自動記憶體管理的機制。當程式向作業系統申請的記憶體不再需要時，垃圾回收主動將其回收並供其他程式碼進行記憶體申請時候複用，或者將其歸還給作業系統，這種針對記憶體級別資源的自動回收過程，即為垃圾回收；而負責垃圾回收的程式元件，即為垃圾回收器。

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本教學操作環境：windows7系統、GO 1.18版本、Dell G3電腦。

go語言不需要手動管理記憶體；go語言內建記憶體管理功能（GC機制），開發者不需要關心記憶體的申請和釋放,這樣為使用者帶來極大的便利。

什麼是GC，又有什麼用？

GC，全稱 Garbage Collection，即垃圾回收，是一種自動記憶體管理的機制。

當程式向作業系統申請的記憶體不再需要時，垃圾回收主動將其回收並供其他程式碼進行記憶體申請時候複用，或者將其歸還給作業系統，這種針對記憶體級別資源的自動回收過程，即為垃圾回收。而負責垃圾回收的程式元件，即為垃圾回收器。

垃圾回收其實一個完美的 「Simplicity is Complicated」 的例子。一方面，程式設計師受益於 GC，無需操心、也不再需要對記憶體進行手動的申請和釋放操作，GC 在程式執行時自動釋放殘留的記憶體。另一方面，GC 對程式設計師幾乎不可見，僅在程式需要進行特殊優化時，通過提供可調控的 API，對 GC 的執行時機、執行開銷進行把控的時候才得以現身。

在計算中，記憶體空間包含兩個重要的區域：棧區 (Stack) 和堆區 (Heap)；棧區一般儲存了函數呼叫的引數、返回值以及區域性變數，不會產生記憶體碎片，由編譯器管理，無需開發者管理；而堆區會產生記憶體碎片，在 Go 語言中堆區的物件由記憶體分配器分配並由垃圾收集器回收

通常，垃圾回收器的執行過程被劃分為兩個半獨立的元件：

  • 賦值器（Mutator）：這一名稱本質上是在指代使用者態的程式碼。因為對垃圾回收器而言，使用者態的程式碼僅僅只是在修改物件之間的參照關係，也就是在物件圖（物件之間參照關係的一個有向圖）上進行操作。

  • 回收器（Collector）：負責執行垃圾回收的程式碼。

GC中的根物件

根物件在垃圾回收的術語中又叫做根集合，它是垃圾回收器在標記過程時最先檢查的物件，包括：

  • 全域性變數：程式在編譯期就能確定的那些存在於程式整個生命週期的變數。

  • 執行棧：每個 goroutine 都包含自己的執行棧，這些執行棧上包含棧上的變數及指向分配的堆記憶體區塊的指標。

  • 暫存器：暫存器的值可能表示一個指標，參與計算的這些指標可能指向某些賦值器分配的堆記憶體區塊。

垃圾回收

在 Go 語言中，垃圾回收器實現的演演算法是一個並行的三色標記和掃描收集器

垃回收器與 Go 程式同時執行，因此需要通過一種演演算法來檢測記憶體中的潛在變化。啟動寫屏障的唯一條件是在短時間內停止程式，即 「Stop the World」

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寫屏障的目的是允許收集器在收集期間保持堆上的資料完整性

1.1 實現原理

Go 語言的垃圾收集可以分成清除終止、標記、標記終止和清除四個不同的階段，其中兩個階段會產生 Stop The World (STW)

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清除終止階段

  • 暫停程式，所有的處理器在這時會進入安全點（Safe point）
  • 如果當前垃圾收集迴圈是強制觸發的，我們還需要處理還未被清理的記憶體管理單元

標記階段 (STW)

  • 將狀態切換至 _GCmark、開啟寫屏障、使用者程式協助（Mutator Assists）並將根物件入隊

  • 恢復執行程式，標記程序和用於協助的使用者程式會開始並行標記記憶體中的物件，寫屏障會將被覆蓋的指標和新指標都標記成灰色，而所有新建立的物件都會被直接標記成黑色

  • 開始掃描根物件，包括所有 Goroutine 的棧、全域性物件以及不在堆中的執行時資料結構，掃描 Goroutine 棧期間會暫停當前處理器

  • 依次處理灰色佇列中的物件，將物件標記成黑色並將它們指向的物件標記成灰色

  • 使用分散式的終止演演算法檢查剩餘的工作，發現標記階段完成後進入標記終止階段

標記終止階段 (STW)

  • 暫停程式、將狀態切換至 _GCmarktermination 並關閉輔助標記的使用者程式
  • 清理處理器上的執行緒快取

清理階段

  • 將狀態切換至 _GCoff 開始清理階段，初始化清理狀態並關閉寫屏障

  • 恢復使用者程式，所有新建立的物件會標記成白色

  • 後臺並行清理所有的記憶體管理單元，當 Goroutine 申請新的記憶體管理單元時就會觸發清理

1.2 三色標記法

三色標記演演算法將程式中的物件分成白色、黑色和灰色三類：

  • 白色物件 — 潛在的垃圾，其記憶體可能會被垃圾收集器回收
  • 黑色物件 — 活躍的物件，包括不存在任何參照外部指標的物件以及從根物件可達的物件
  • 灰色物件 — 活躍的物件，因為存在指向白色物件的外部指標，垃圾收集器會掃描這些物件的子物件

三色標記垃圾收集器的工作原理很簡單，可以將其歸納成以下幾個步驟：

  • 從灰色物件的集合中選擇一個灰色物件並將其標記成黑色

  • 將黑色物件指向的所有物件都標記成灰色，保證該物件和被該物件參照的物件都不會被回收

  • 重複上述兩個步驟直到物件圖中不存在灰色物件

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