golang垃圾回收器 GC

最新推荐文章于 2025-01-10 10:28:30 发布

Kiven_super

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文章标签： golang go 垃圾回收

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_43510019/article/details/114789692

本文简述了Go语言的垃圾回收器（GC）的工作原理，包括标记阶段和着色过程。标记阶段通过写屏障算法配合STW（Stop the World）确保内存状态正确，并由多个线程并发进行。着色过程将可达对象标记为黑色，不可达对象标记为白色，以供回收。整个过程保证了GC的高效执行。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

提问：请简述 Go 语言的垃圾回收器（Garbage Collector, GC）？

1 | 标记阶段

该阶段对以 span-object 为载体的内存进行扫描。由于 GC 与 Go 语言主程序一起并发执行，所以须要在扫描时监控内存可能出现的状态改变。

写屏障（Write Barrier）算法便应运而生，启动写屏障的唯一途径就是短暂停止 Go 语言主程序，称之为 STW（Stop the World），并以 Start the World 恢复：

在 GC 工作开始时，Go 语言随即为每个处理机 P 配置一个 mark worker线程 G 来帮助标记内存，它们负责为进入 STW 后的清理做前期工作。

一旦根程序（Root）被加入待处理队列 work pool，标记周期便正式开始，这些线程 G 开始遍历 span 并标记内存块 object。

以程序 main.go为例，以下的配图均服务于本实例的三个变量s1，s2和_：

 type struct1 struct {
     a, b int64
     c, d float64
     e    *struct2
 } // 40 bytes
 
 type struct2 struct {
     f, g int64
     h, i float64
 } // 32 bytes
 
 // go:noinline
 func allocStruct1() *struct1 {
     return &struct1{
         e: allocStruct2(),
     }
 }
 
 // go:noinline
 func allocStruct2() *struct2 {
     return &struct2{}
 }
 
 func main() {
 
     _ = trace.Start(os.Stderr)
     defer trace.Stop()
 
     s1 := allocStruct1()
     s2 := allocStruct2()
 
     func() {
         _ = allocStruct2()
     }()
 
     runtime.GC()
 
     fmt.Printf("s1 = %X, s2 = %X\n", &s1, &s2)
 }

因为结构体 struct1 和 struct2 大小分别为 40 和 32 个字节，被分配到 48 和 32 字节大小的 span，后者不包含指针，所以它被存储在非指针的 span 区：

以是否包含指针区分 span，使得 GC 在扫描过程避免不必要的性能开销，这也是 GC 高并发性能彪悍的关键原因。

每当主程序 main 的内存分配完成，GC 的 mark worker 线程便会强制执行一轮的扫描，流程如下：

GC 从栈映射 span 的栈（stack）开始，根据扫描到的指针引导的地址来递归式访问 span，span 一旦被标记为 no span ，后续不会继续被扫描，递归便结束；反之继续根据指针递进。

s1 包含了一个 4 字节大小的指针，指向了 32 字节大小的 span，而 s2 不包含指针，便是递归的尽头。

由于不同的 Goroutine 根据在队列中的指针并发完成，之前入队的background mark worker 会出队，扫描 span 中的 object 然后将找到的指针加入队列：

2 | 着色过程

着色线程 mark worker 利用三色标记算法来完成任务：

起初所有的 object 都被认定为白色；
比如栈、堆和全局变量这种 object 被标记为灰色。

GC 的这些线程在上述步骤的基础上：

将灰色 object 标记为黑色；
将灰色 object 所包含的所有指针所指向的地址都标记为灰色。

递归执行以上两个步骤，最终对象非黑即白，其中白色即未被引用且可以被回收的 object。

以上述程序为例，起初所有 object 被视作白色，遍历后将可达者标记为灰色，如果 object 处标记为 no sacan，则视为递归的尽头，被标记成黑色：

灰色的 object 被加入待扫描队列，出队被扫描后即被标记为黑色：

重复执行上述步骤，直至没有待处理的灰色 object：

最终，黑色 object 即为被使用，而白色为可回收。

上述实例中，结构体 struct2 的实例被匿名函数创建被分配至上图的 span class 3，透过汇编源码得知，在栈上不可达：

 TEXT    "".main.func1(SB), ABIInternal, $24-0
 MOVQ    TLS, CX
 PCDATA  $0, $-2
 MOVQ    (CX)(TLS*2), CX
 PCDATA  $0, $-1
 CMPQ    SP, 16(CX)
 PCDATA  $0, $-2
 JLS     64
 PCDATA  $0, $-1
 SUBQ    $24, SP
 MOVQ    BP, 16(SP)
 LEAQ    16(SP), BP
 FUNCDATA        $0, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
 FUNCDATA        $1, gclocals·33cdeccccebe80329f1fdbee7f5874cb(SB)
 NOP
 LEAQ    type."".struct2(SB), AX

故 struct2 的实例 _ 由始至终为白色，必将被 GC 回收，实践上使用匿名变量能有效减少内存开销。

mspan 数据结构中的 gcmarkBits *gcBits 用于实现 span 的颜色标记：

灰色和黑色在 gcmarkBits 中皆为 1，不同之处在于黑色为颜色标记的终点，灰色为待续。

GC 使 Go 程序短暂停止，将对每个写屏障所做的更改更新至 work pool 直至清空队列。

3 | 小结

使用顶配 Intel i-7 四核心处理机和标准库 runtime/trace 可视化分析上述的垃圾回收线程，在命令栏依次执行：

 go run main.go 2> trace.out
 go tool trace trace.out

该命令会多线程执行的序列化结果呈现于浏览器：

GC 为上图顶部淡蓝进度条，随主程序启动后执行；

Proc 0 为标准库 runtime/trace 的监视线程 G19，用作本次资源监控，可以忽略；

Proc 1 为上述 Go 语言测试实例的本身主线程 runtime.main；

Proc 1 粉蓝色线程 G2 即为 runtime.gcBgMarkWorker；

Proc 0 粉红色前边短暂的绿色为 Stop the World 线程开始处，即 sweep termination；

Proc 0/1/4 的粉红色 GC (dedicated) 为 marking worker 线程，就是递归遍历 span 的着色操作；

Proc 4 肉粉色 STW 为线程上述 Stop the World 的短暂停顿结束，最后由箭头交棒给主线程 G1。