Golang GC原理

一、内存泄漏

内存泄露，是从操作系统的角度上来阐述的，形象的比喻就是“操作系统可提供给所有进程的存储空间(虚拟内存空间)正在被某个进程榨干”，导致的原因就是程序在运行的时候，会不断地动态开辟的存储空间，这些存储空间在在运行结束之后后并没有被及时释放掉。应用程序在分配了某段内存之后，由于设计的错误，会导致程序失去了对该段内存的控制，造成了内存空间的浪费。

如果程序在内存空间内申请了一块内存，之后程序运行结束之后，没有把这块内存空间释放掉，而且对应的程序又没有很好的gc机制去对程序申请的空间进行回收，这样就会导致内存泄露。

二、GC原理

root

首先标记root根对象，根对象的子对象也是存活的。

根对象包括：全局变量，各个G stack上的变量等。

标记

span是内存管理的最小单位，所以猜测gc的粒度也是span。

如图所示，通过gcmarkBits位图标记span的块是否被引用。对应内存分配中的bitmap区。

三色标记

• 灰色：对象已被标记，但这个对象包含的子对象未标记
• 黑色：对象已被标记，且这个对象包含的子对象也已标记，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一共6个对象，根对象a,b本身为栈上分配的局部变量，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，则GC开始前各对象的状态如下图所示:

1. 初始状态下所有对象都是白色的。
2. 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，接下来就开始分析灰色对象，分析A时，A没有引用其他对象很快就转入黑色，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。
3. 灰色对象只有D，由于D没有引用其他对象，所以D转入黑色。标记过程结束
4. 最终，黑色的对象会被保留下来，白色对象会被回收掉。

 

STW

stop the world是gc的最大性能问题，对于gc而言，需要停止所有的内存变化，即停止所有的goroutine，等待gc结束之后才恢复。

触发

• 阈值：默认内存扩大一倍，启动gc
• 定期：默认2min触发一次gc，src/runtime/proc.go:forcegcperiod
• 手动：runtime.gc()

三、GC过程

GO的GC是并行GC, 也就是GC的大部分处理和普通的go代码是同时运行的, 这让GO的GC流程比较复杂.

1. Stack scan：Collect pointers from globals and goroutine stacks。收集根对象（全局变量，和G stack），开启写屏障。全局变量、开启写屏障需要STW，G stack只需要停止该G就好，时间比较少。
2. Mark: Mark objects and follow pointers。标记所有根对象, 和根对象可以到达的所有对象不被回收。
3. Mark Termination: Rescan globals/changed stack, finish mark。重新扫描全局变量，和上一轮改变的stack（写屏障），完成标记工作。这个过程需要STW。
4. Sweep: 按标记结果清扫span

目前整个GC流程会进行两次STW(Stop The World), 第一次是Stack scan阶段, 第二次是Mark Termination阶段.

• 第一次STW会准备根对象的扫描，启动写屏障(Write Barrier)和辅助GC(mutator assist).
• 第二次STW会重新扫描部分根对象，禁用写屏障(Write Barrier)和辅助GC(mutator assist).

从1.8以后的golang将第一步的stop the world 也取消了，这又是一次优化； 1.9开始, 写屏障的实现使用了Hybrid Write Barrier, 大幅减少了第二次STW的时间.

写屏障

因为go支持并行GC, GC的扫描和go代码可以同时运行, 这样带来的问题是GC扫描的过程中go代码有可能改变了对象的依赖树。

例如开始扫描时发现根对象A和B, B拥有C的指针。

1. GC先扫描A，A放入黑色
2. B把C的指针交给A
3. GC再扫描B，B放入黑色
4. C在白色，会回收；但是A其实引用了C。

为了避免这个问题, go在GC的标记阶段会启用写屏障(Write Barrier).

启用了写屏障(Write Barrier)后，在GC第三轮rescan阶段，根据写屏障标记将C放入灰色，防止C丢失。