圖解Golang的GC算法

雖然Golang的GC自打一開始，就被人所詬病，可是通過這麼多年的發展，Golang的GC已經改善了很是多，變得很是優秀了。golang

如下是Golang GC算法的里程碑：算法

v1.1 STW
v1.3 Mark STW, Sweep 並行
v1.5 三色標記法
v1.8 hybrid write barrier

經典的GC算法有三種：引用計數(reference counting)、標記-清掃(mark & sweep)、複製收集(Copy and Collection)。安全

Golang的GC算法主要是基於標記-清掃(mark and sweep)算法，並在此基礎上作了改進。所以，在此主要介紹一下標記-清掃(mark and sweep)算法，關於引用計數(reference counting)和複製收集(copy and collection)可自行百度。微信

標記-清掃(Mark And Sweep)算法

此算法主要有兩個主要的步驟：markdown

標記(Mark phase)
清除(Sweep phase)

第一步，找出可達的對象，而後作上標記。第二步，回收未標記的對象。併發

操做很是簡單，可是有一點須要額外注意：mark and sweep算法在執行的時候，須要程序暫停！即stop the world。也就是說，這段時間程序會卡在哪兒。故中文翻譯成卡頓。oop

咱們來看一下圖解：spa

開始標記，程序暫停。程序和對象的此時關係是這樣的：線程

而後開始標記，process找出它全部可達的對象，並作上標記。以下圖所示：翻譯

標記完了以後，而後開始清除未標記的對象：

而後垃圾清除了，變成了下圖這樣。

最後，中止暫停，讓程序繼續跑。而後循環重複這個過程，直到process生命週期結束。

標記-清掃(Mark And Sweep)算法存在什麼問題？

標記-清掃(Mark And Sweep)算法這種算法雖然很是的簡單，可是還存在一些問題：

STW，stop the world；讓程序暫停，程序出現卡頓。
標記須要掃描整個heap
清除數據會產生heap碎片

這裏面最重要的問題就是：mark-and-sweep 算法會暫停整個程序。

Go是如何面對並這個問題的呢？

三色併發標記法

咱們先來看看Golang的三色標記法的大致流程。

首先：程序建立的對象都標記爲白色。

gc開始：掃描全部可到達的對象，標記爲灰色

從灰色對象中找到其引用對象標記爲灰色，把灰色對象自己標記爲黑色

監視對象中的內存修改，並持續上一步的操做，直到灰色標記的對象不存在

此時，gc回收白色對象。

最後，將全部黑色對象變爲白色，並重復以上全部過程。

好了，大致的流程就是這樣的，讓咱們回到剛纔的問題：Go是如何解決標記-清除(mark and sweep)算法中的卡頓(stw，stop the world)問題的呢？

gc和用戶邏輯如何並行操做？

標記-清除(mark and sweep)算法的STW(stop the world)操做，就是runtime把全部的線程所有凍結掉，全部的線程所有凍結意味着用戶邏輯是暫停的。這樣全部的對象都不會被修改了，這時候去掃描是絕對安全的。

Go如何減短這個過程呢？標記-清除(mark and sweep)算法包含兩部分邏輯：標記和清除。咱們知道Golang三色標記法中最後只剩下的黑白兩種對象，黑色對象是程序恢復後接着使用的對象，若是不碰觸黑色對象，只清除白色的對象，確定不會影響程序邏輯。因此：清除操做和用戶邏輯能夠併發。

標記操做和用戶邏輯也是併發的，用戶邏輯會時常生成對象或者改變對象的引用，那麼標記和用戶邏輯如何併發呢？

process新生成對象的時候，GC該如何操做呢？不會亂嗎？

咱們看以下圖，在此狀態下：process程序又新生成了一個對象，咱們設想會變成這樣：

可是這樣顯然是不對的，由於按照三色標記法的步驟，這樣新生成的對象A最後會被清除掉，這樣會影響程序邏輯。

Golang爲了解決這個問題，引入了寫屏障這個機制。寫屏障：該屏障以前的寫操做和以後的寫操做相比，先被系統其它組件感知。通俗的講：就是在gc跑的過程當中，能夠監控對象的內存修改，並對對象進行從新標記。(實際上也是超短暫的stw，而後對對象進行標記)

在上述狀況中，新生成的對象，一概都標位灰色！ 即下圖：

那麼，灰色或者黑色對象的引用改成白色對象的時候，Golang是該如何操做的？

看以下圖，一個黑色對象引用了曾經標記的白色對象。

這時候，寫屏障機制被觸發，向GC發送信號，GC從新掃描對象並標位灰色。

所以，gc一旦開始，不管是建立對象仍是對象的引用改變，都會先變爲灰色。

參考文獻：