Go 原理之 gc 垃圾回收机制：三色标记 + 混合写屏障（需要 STW）

Go 原理之 gc 垃圾回收机制

一、常见垃圾回收算法

垃圾回收算法	描述	代表语言	优缺点
引用计数	为每个对象维护一个引用计数，记录对象被引用的次数每当一个对象被引用时，引用计数就会增加。当对象不再被引用时，引用计数就会减少。如果对象的引用计数变为 0，则对象可以被垃圾回收器回收	Python、PHP	优点：实现简单，处理快缺点：无法处理循环引用，两个对象相互引用，计数永远不为0
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	Java	优点：性能好缺点：需要 STW，算法复杂
三色标记法	从根变量开始遍历所有引用的对象，标记引用的对象为不同颜色，被标记为白色的对象进行回收	Golang	优点：解决了引用计数的缺点缺点：需要 STW，暂时停掉程序运行

注意️：以上都需要 STW

二、Go 的 gc：三色标记 + 混合写屏障

（一）三色标记

v1.13之前，go 使用的是标记-清除法，需要 stw ，效率极低；

v1.15之后，go 采用三色标记 + 混合写屏障极大的降低stw的时间，提高gc性能

三色标记：白色(清除对象) + 灰色(过渡对象,受保护, 最终变黑色) + 黑色(受保护)

可达对象引用关系举例

可达的意思就是可以关联到的，有对象引用它了

对象1 = 对象2 // 对象2可达，对象1引用了对象2，对象2 被 对象1 引用

对象1 = 对象3

对象2 = 对象3

对象2 = 对象5

三色标记-流程

1. 初始时，所有对象被标记为白色
1. gc 开始，遍历 rootset 根节点，将有引用对象的对象标记为灰色，存入灰色对象列表
1. 遍历灰色对象，将直接可达对象标记为灰色，并将自身标记为黑色
1. 重复第3步，直到标记完所有的对象（灰色对象列表为空）
1. 将白色对象清除，保留黑色对象

（二）混合写屏障

三色标记存在并发问题：

在三色标记期间，如果没有STW，并发创建对象，可能存在 == 垃圾对象或误删对象 == 的情况：

1. 黑色对象的引用对象被删除，则不可达，正常黑色对象应该被回收，但是gc期间只会循环遍历灰色列表，不会回收黑色对象，因此该对象为垃圾对象 （多余垃圾对象）
  
  eg：对象1已经被标记为黑色，表示该对象有引用方，受保护，如果没有stw，该对象的引用可能被删除，正常应该转为白色对象被清除，然gc并不会清除黑色对象
1. 黑色对象引用了白色对象，白色对象有了引用对象应该被保护，但仍然被无情的回收 (清掉不该清的对象)
白色对象只有被灰色对象引用情况，才会判断是否需要清理，白色对象如果在gc期间引用了黑色对象，那只会被误删除

所以 go 引入了混合写屏障机制，满足：

强三色不变式：黑色对象不允许引用了白色对象；因为一旦引用，该黑色对象将不会继续参与 gc，白色对象会被无理清除
弱三色不变式：黑色对象可以引用白色对象，但该白色对象必须被其它灰色对象或其上游有灰色对象引用，否则该白色对象将被无理清除

这里需要注意一点，插入屏障仅会在堆内存中生效，不对栈内存空间生效，这是因为 go 在并发运行时，大部分的操作都发生在栈上，函数调用会非常频繁。

数十万goroutine的栈都进行屏障保护自然会有性能问题

所以 gc 期间，任何在栈上新创建的对象，均为黑色。

混合写屏障	开启期间	描述
插入写屏障	创建的新对象为灰色对象	满足：强三色不变式。不会存在黑色对象引用白色对象
删除写屏障	被删除的对象，如果自身为灰色或者白色，那么被标记为灰色	满足：弱三色不变式（保护灰色对象到白色对象的路径不会断）

（三）优缺点

优点：

减少stw时间，三色标记需要stw整个程序，混合写屏障（分段stw）可以有效降低stw的时间

缺点：

回收精度低，有些垃圾需要在下一轮 gc 清理

（四）完整的 gc 流程

三色标记 + 混合写屏障

标记准备（Mark Setup）：开启混合写屏障（Write Barrier），需 STW（stop the world)
标记开始（Marking）：使用三色标记法并发标记，与用户程序并发执行
标记终止（Mark Termination）：对触发写屏障的对象进行重新扫描标记，关闭写屏障（Write Barrier），需 STW（stop the world)
清理（Sweeping）：将需要回收的内存归还到堆中，将过多的内存归还给操作系统，与用户程序并发执行

三、源码解析

/go/1.18.3/libexec/src/runtime/mgc.go

四、常见问题

1. gc 多久执行一次，什么时候触发

定时触发：Go 运行时系统会根据一定的时间间隔定期触发垃圾回收。时间间隔根据程序的内存使用情况和性能需求进行自适应调整
内存分配触发：当程序申请的内存超过一定阈值时，Go 运行时会触发垃圾回收，以防止过度使用内存
栈伸缩触发：当 Goroutine 的栈空间不足以容纳当前的执行需要时，Go 运行时会触发垃圾回收来扩展栈空间
主动触发：调用 runtime.GC
空间不足时触发：当前线程的内存管理单元中不存在空闲空间时，创建32KB以下的对象可能触发垃圾收集，创建32KB以上的对象时，一定会尝试触发

2. 为什么混合写屏障不保护栈的引用

因为go在并发运行时，大部分的操作都发生在栈上，函数调用会非常频繁。数十万goroutine的栈都进行屏障保护自然会有性能问题

虽然混合写屏障不保护栈上的引用，但 Go 语言的垃圾回收器在标记终止阶段会对栈进行重新扫描。在这个阶段，会暂停所有的用户程序（STW），对栈上的对象和引用进行精确的标记，确保所有可达对象都被正确标记。这样就弥补了不使用写屏障保护栈上引用的不足，保证了垃圾回收的正确性。

综上所述，混合写屏障不保护栈的引用是为了在保证垃圾回收正确性的前提下，尽可能提高程序的性能和降低实现复杂度。通过栈重新扫描机制，也能确保栈上的可达对象不会被错误回收。

3. gc 过程中那一部分使用了 STW

标记准备阶段（Mark Setup）

在这个阶段，垃圾回收器需要初始化标记状态，开启写屏障等操作。为了确保标记的正确性，需要暂停所有的用户程序，进行 STW

在标记阶段开始前会进行一次STW，暂停所有goroutine的执行，然后再进行标记操作
标记终止阶段（Mark Termination）

在并发标记阶段结束后，可能还有一些标记工作没有完成，如一些新创建的对象或者修改的引用关系没有被标记。因此，需要暂停所有的用户程序，完成剩余的标记工作，关闭写屏障，统计所有需要回收的对象。

原文地址

Go 原理之 gc 垃圾回收机制：三色标记 + 混合写屏障（需要 STW）