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GO GC

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，自动释放不需要的对象，让出存储器资源，无需程序员手动执行。

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)，STW的过程中，CPU不执行用户代码，全部用于垃圾回收。

Go1.3采用标记清除法， Go1.5采用三色标记法，Go1.8采用三色标记法+混合写屏障。

标记清除法(mark and sweep)

• 分为两个阶段：标记和清除

• 标记阶段：从根对象出发寻找并标记所有存活的对象。

• 清除阶段：遍历堆中的对象，回收未标记的对象，并加入空闲链表。

• 缺点：

  • 需要暂停程序（STW）
  • 标记需要扫描整个堆
  • 清除数据会产生堆碎片

三色标记法

• 将对象标记为白色，灰色或黑色。

• 白色：不确定对象（默认色）；黑色：存活对象。灰色：存活对象，子对象待处理。

1. 将所有对象加入白色集合
2. 从根节点开始遍历所有对象，把遍历到的对象从白色集合放入灰色集合
3. 遍历灰色集合，将灰色对象引用的对象从白色集合放入灰色集合，之后将此灰色对象放入黑色集合
4. 重复第三步, 直到灰色中无任何对象
5. 回收白色集合所有的对象

• 缺点：对象的引用被用户修改了，那么之前的标记就无效
  • 条件1: 一个白色对象被黑色对象引用(白色被挂在黑色下)
  • 条件2: 灰色对象与它引用的白色对象遭到破坏(灰色丢了该白色)
  • 当以上两个条件同时满足时, 就会出现白色对象丢失现象
  • 解决：引入屏障机制

屏障机制

1. “强-弱” 三色不变式

   • 强三色不变式：不存在黑色对象引用到白色对象的指针
   • 弱三色不变式：所有被黑色对象引用的白色对象都处于灰色保护状态

2. 插入写屏障

   • 操作：在A对象引用B对象的时候，B对象被标记为灰色
   • 满足：强三色不变式。
   • 注意：在栈空间的对象操作中不使用，仅使用在堆空间对象的操作中
   • 缺点：对栈重新进行三色标记扫描需要STW，直到栈空间的三色标记结束

3. 删除写屏障

   • 操作：被删除的对象，如果自身为灰色或白色，那么被标记为灰色
   • 满足：强三色不变式
   • 缺点：回收精度低，一个对象即使被删除了最后一个指向它的指针仍可以活过这一轮

4. 完整的GC分为四个阶段

   • 准备标记（开启STW），开启写屏障。
   • 开始标记
   • 标记结束（停止STW），关闭写屏障
   • 清理（并发）

混合写屏障

• 解决写屏障问题
• 注：不在栈上应用，因为要保证栈的运行效率

1. GC开始：将栈上的对象全部扫描并标记为黑色(之后不再进行第二次重复扫描，无需STW)
2. GC期间：在栈上创建的新对象标记为黑色、被删除的对象标记为灰色、被添加的对象标记为灰色

总结

• GoV1.3- 普通标记清除法，整体过程需要启动STW，效率极低。

• GoV1.5- 三色标记法， 堆空间启动写屏障，栈空间不启动，全部扫描之后，需要重新扫描一次栈(需要STW)，效率普通

• GoV1.8-三色标记法，混合写屏障机制， 栈空间不启动，堆空间启动。整个过程几乎不需要STW，效率较高。

参考文章：Golang 垃圾回收