Go垃圾回收机制
前言
垃圾即为不再需要的内存块。如果这些垃圾不清理，无法再次被分配使用。在不支持垃圾回收（GC）的编程语言中，这些垃圾内存就会泄露。Golang的垃圾回收也是内存管理的一部分。了解垃圾回收，最好先了解内存分配原理。
垃圾回收算法
业界常见的垃圾回收算法有以下几种：
引用计数
维护每个对象的引用计数，当引用该对象的对象被销毁时，引用计数减1。当引用计数为0时，回收该对象。
- 优点：对象可以很快地被回收，不会出现内存耗尽或达到某个阀值时才回收。
- 缺点：不能很好地处理循环引用，实时维护引用计数也有一定代价。
- 代表语言：Python、PHP、Swift
标记-清除
从根变量开始遍历所有引用的对象，引用的对象标记为“被引用”，没有被标记的进行回收。
- 优点：解决了引用计数的缺点。
- 缺点：需要STW（Stop The World），即暂时停掉程序运行。
- 代表语言：Golang（其采用三色标记法）
分代收集
按照对象生命周期长短划分不同的代空间，生命周期长的放入老年代，短的放入新生代，不同代有不同的回收算法和回收频率。
- 优点：回收性能好。
- 缺点：算法复杂。
- 代表语言：Java
简单来说，垃圾回收的核心是标记出哪些内存还在使用中（即被引用到），哪些内存不再使用（即未被引用），并回收未被引用的内存，以供后续内存分配时使用。
Golang垃圾回收
1、垃圾回收原理
下图展示了一段内存，内存中既有已分配的内存，也有未分配的内存。垃圾回收的目标是找到那些已经分配但没有对象引用的内存，并回收掉。
上图中，内存块1、2、4号位上的内存块已被分配（数字1代表已被分配，0代表未分配）。变量a, b为指针，指向内存的1、2号位。内存块的4号位曾经被使用过，但现在没有任何对象引用，需要被回收。
垃圾回收开始时从root对象开始扫描，把root对象引用的内存标记为“被引用”。由于内存块中存放的可能是指针，所以还需要递归地进行标记，全部标记完成后，只保留被标记的内存，未被标记的全部标识为未分配，完成回收。
3.2 内存标记（Mark）
在内存分配时，span数据结构中维护了一个个内存块，并由位图allocBits表示每个内存块的分配情况。在span数据结构中还有另一个位图gcmarkBits用于标记内存块的引用情况。
如上图所示，allocBits记录了每块内存分配情况，gcmarkBits记录了每块内存标记情况。标记阶段对每块内存进行标记，有对象引用的内存标记为1（图中灰色所示），没有引用的保持默认为0。
3.3 三色标记法
三色标记法对应了垃圾回收过程中对象的三种状态：
- 灰色：对象还在标记队列中等待。
- 黑色：对象已被标记，gcmarkBits对应的位为1（该对象不会在本次GC中被清理）。
- 白色：对象未被标记，gcmarkBits对应的位为0（该对象将会在本次GC中被清理）。
例如，当前内存中有A~F共6个对象，根对象a, b分别引用了对象A、B，而B对象又引用了对象D。GC开始前各对象状态如下图所示：
接着开始扫描根对象a、b：
由于根对象引用了对象A、B，那么A、B变为灰色对象。接下来分析灰色对象，分析A时，A没有引用其他对象，很快转入黑色；B引用了D，则B转入黑色的同时还需要将D转为灰色，进行接下来的分析。
最终，所有黑色对象被保留下来，白色对象被回收。
3.4 Stop The World
Golang中的STW（Stop The World）是指停掉所有的goroutine，专心进行垃圾回收，待回收结束后再恢复goroutine。STW时间的长短直接影响应用执行，时间过长对一些web应用来说是不可接受的，这也是广受诟病的原因之一。为了缩短STW时间，Golang不断优化垃圾回收算法，很大程度上改善了这个问题。
3.5 写屏障（Write Barrier）
写屏障让goroutine与GC同时运行，虽然不能完全消除STW，但可以大大减少STW时间。在GC特定时机开启写屏障，指针传递时会把指针标记，即本轮不回收，下次GC时再确定。
3.6 Mutator Assist
GC过程中，如果goroutine需要分配内存，那么这个goroutine会参与部分GC工作，帮助GC做一部分工作，这个机制叫作Mutator Assist。
3.7 内存分配阀值
每次内存分配时都会检查当前内存分配量是否已达到阀值，如果达到则立即启动GC。阀值公式如下：
阀值 = 上次GC内存分配量 * 内存增长率
内存增长率由环境变量GOGC控制，默认为100，即每当内存扩大一倍时启动GC。默认情况下，最长2分钟触发一次GC，这个间隔在 src/runtime/proc.go:forcegcperiod 变量中被声明。
3.8 手动GC
程序代码中也可以使用 runtime.GC() 来手动触发GC，这主要用于GC性能测试和统计。
GC性能优化
GC性能与对象数量负相关，对象越多GC性能越差，对程序影响越大。因此，GC性能优化的思路之一是减少对象分配个数，比如对象复用或使用大对象组合多个小对象等。此外，由于内存逃逸现象，也可能产生隐式的内存分配，增加GC负担。
通过了解Golang的垃圾回收机制，可以更好地优化代码并提高程序性能。
- 上一篇： Go内存逃逸分析
- 下一篇： Golang sync.Cond
如果您喜欢我的文章，请点击下面按钮随意打赏，您的支持是我最大的动力。
最新评论