Golang GC 演进之路

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已于 2024-09-23 11:50:34 修改 · 1.2k 阅读

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#golang #开发语言 #后端

于 2024-09-23 11:34:59 首次发布

Golang GC 演进之路

前言：网上关于GC 的文章错综复杂，有的文章前后混乱，自相矛盾；有的文章讲的内容较为浅显，看完以后还是一脸懵，所以花了一周时间，翻阅了大量文章，结合runtime 下的GC源码，对关于GC的知识进行了一下整理，方便以后回顾：
个人更喜欢用Notion写文章
Notion文章链接：Gc演进之路
如有错误之处，欢迎指点。

一、标记清除算法

在golang 1.3之前的时候主要用的普通的标记-清除算法，此算法主要有以下两个步骤：

标记(Mark phase)
清除(Sweep phase)
具体步骤如下：
1. 暂停业务逻辑(STW)，分类出可达和不可达对象，做出标记
  
  目前程序的可达对象有： 1-2-3 4-7 五个对象
2. 开始标记，程序对所有可达的对象做上标记
  
  对 1-2-3 4-7 等五个可达对象做上标记
3. 标记完成后，清除所有未标记对象
  
  对象 5 6 不可达，被GC 清除
4. 关闭STW,恢复业务程序。然后循环重复这个过程，直到Process 程序生命周期结束。

整个流程非常简单，但是有一点需要额外注意：mark and sweep 算法在执行的过程中，需要暂停程序！即STW(stop the word) ,STW过程中，CPU不执行代码逻辑，全部用于垃圾回收，这个过程的影响很大，所以STW也是一些回收机制最大的难题和希望优化的点。

标记清除算法缺点：

STW，让整个程序暂停，程序会出现严重卡顿
标记需要扫描整个heap
清除数据会产生heap碎片

Go V1.3 变动

执行GC的基本流程首先就是启动STW，然后才进行标记清除，最后暂停STW，如下图：
在这里插入图片描述

从整个流程来看，全部的GC时间都是处在STW范围之内的，这样程序暂停的时间过长，影响程序的性能。所以在Go V1.3 做了简单的优化，将STW 的停止时间提前，这样能减少STW的时间范围，如图所示：
在这里插入图片描述

不论如何优化，这个版本的GC都会面临一个严重的问题，就是 Mark And Sweep 算法会暂停整个程序。为了面对并解决这个问题，在Go 1.5版本就采用 `三色标记法` 来优化这个问题。

二、三色标记法

Golang中的垃圾回收主要应用`三色标记法`，GC过程和其他用户goroutine可并发运行，但需要一定时间的`STW`,所谓的`三色标记法`实际上就是通过三个阶段的标记来确定需要清除的对象都有哪些。

具体步骤如下：
1. 所有新建对象，默认都标记为白色
  
  上图所示,我们程序可抵达的内存对象关系如左图，右边的标记表，是用来记录目前每个对象的标记颜色分类的。这里面的 程序 指的是一些对象的根节点集合。所以如果我们将”程序” 展开来，会得到类似如下的表现形式：
2. 每次GC回收开始，会从根节点开始遍历所有对象，把遍历到的对象全部标记为灰色(放入灰色的集合)
  
  遍历root根节点集合，标记可达的节点为灰色。(这里的遍历非递归遍历，只遍历一次根节点，如图所示，当前可达的对象是 对象1 和对象4，那么本轮遍历就结束了，对象1 和对象4 被标记为灰色，灰色表就会多出这两个对象)
3. 遍历灰色集合，将灰色对象引用的对象标记为灰色，然后将灰色对象自身标记为黑色，如图所示：
  
  这一次遍历只扫描灰色对象，将灰色对象可直接抵达的白色对象标记为灰色，移动到灰色表：如 对象2 、对象7 ，而之前的灰色 对象1、对象4 则会被标记为黑色，由灰色表移动到黑色标记表中；
  
  这一步要循环进行，直到灰色标记表中没有灰色对象存在
  
  重复上一步，直到灰色标记表中没有任何对象
  
  当我们全部的可达对象都遍历后，将不再存在灰色对象，目前内存全部数据只有两种颜色，黑色和白色。黑色对象就是我们所有的可达对象，白色对象全部是不可达对象，所以白色对象就是目前内存中需要被清除的对象。
4. 回收所有白色对象
  
  将所有白色对象清除