Golang三色标记混合写屏障GC模式全分析

本节为重点章节

本章节含视频版:

视频链接地址：https://www.bilibili.com/video/BV1wz4y1y7Kd

---

垃圾回收(Garbage Collection，简称GC)是编程语言中提供的自动的内存管理机制，自动释放不需要的内存对象，让出存储器资源。GC过程中无需程序员手动执行。GC机制在现代很多编程语言都支持，GC能力的性能与优劣也是不同语言之间对比度指标之一。

Golang在GC的演进过程中也经历了很多次变革，Go V1.3之前的标记-清除(mark and sweep)算法，Go V1.3之前的标记-清扫(mark and sweep)的缺点

• Go V1.5的三色并发标记法
• Go V1.5的三色标记为什么需要STW
• Go V1.5的三色标记为什么需要屏障机制(“强-弱” 三色不变式、插入屏障、删除屏障 )
• Go V1.8混合写屏障机制
• Go V1.8混合写屏障机制的全场景分析

一、Go V1.3之前的标记-清除(mark and sweep)算法

接下来我们来看一下在Golang1.3之前的时候主要用的普通的标记-清除算法，此算法主要有两个主要的步骤：

• 标记(Mark phase)
• 清除(Sweep phase)

1 标记清除算法的具体步骤

第一步，暂停程序业务逻辑, 分类出可达和不可达的对象，然后做上标记。

图中表示是程序与对象的可达关系，目前程序的可达对象有对象1-2-3，对象4-7等五个对象。

第二步, 开始标记，程序找出它所有可达的对象，并做上标记。如下图所示：

所以对象1-2-3、对象4-7等五个对象被做上标记。

第三步,  标记完了之后，然后开始清除未标记的对象. 结果如下。

操作非常简单，但是有一点需要额外注意：mark and sweep算法在执行的时候，需要程序暂停！即 STW(stop the world)，STW的过程中，CPU不执行用户代码，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。所以在执行第三步的这段时间，程序会暂定停止任何工作，卡在那等待回收执行完毕。

第四步, 停止暂停，让程序继续跑。然后循环重复这个过程，直到process程序生命周期结束。

以上便是标记-清除（mark and sweep）回收的算法。

2 标记-清除(mark and sweep)的缺点

标记清除算法明了，过程鲜明干脆，但是也有非常严重的问题。

• STW，stop the world；让程序暂停，程序出现卡顿 (重要问题)；
• 标记需要扫描整个heap；
• 清除数据会产生heap碎片。

Go V1.3版本之前就是以上来实施的,  在执行GC的基本流程就是首先启动STW暂停，然后执行标记，再执行数据回收，最后停止STW，如图所示。

从上图来看，全部的GC时间都是包裹在STW范围之内的，这样貌似程序暂停的时间过长，影响程序的运行性能。所以Go V1.3 做了简单的优化,将STW的步骤提前, 减少STW暂停的时间范围.如下所示

上图主要是将STW的步骤提前了一步，因为在Sweep清除的时候，可以不需要STW停止，因为这些对象已经是不可达对象了，不会出现回收写冲突等问题。

但是无论怎么优化，Go V1.3都面临这个一个重要问题，就是mark-and-sweep 算法会暂停整个程序 。

Go是如何面对并这个问题的呢？接下来G V1.5版本 就用三色并发标记法来优化这个问题.

三、Go V1.5的三色并发标记法

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(stop the world)，所谓三色标记法实际上就是通过三个阶段的标记来确定清楚的对象都有哪些？我们来看一下具体的过程。

第一步 , 每次新创建的对象，默认的颜色都是标记为“白色