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Illustration created for “A Journey With Go”, made from the original Go Gopher, created by Renee French
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本文基于 Go 1.13。關于內(nèi)存管理的概念的討論在我的文章 Go 中的內(nèi)存管理和分配[1] 中有詳細的解釋。
Go GC 的作用是回收不再使用的內(nèi)存。實現(xiàn)的算法是并發(fā)的三色標記和清除回收法。本中文，我們研究三色標記法，以及各個顏色的不同用處。
你可以在 Ken Fox 的 解讀垃圾回收算法[2] 中了解更多關于不同垃圾回收機制的信息。
標記階段
這個階段瀏覽內(nèi)存來了解哪些塊兒是在被我們的代碼使用和哪些塊兒應該被回收。
然而，因為 GC 和我們的 Go 程序并行，GC 掃描期間內(nèi)存中某些對象的狀態(tài)可能被改變，所以需要一個檢測這種可能的變化的方法。為了解決這個潛在的問題，實現(xiàn)了 寫屏障[3] 算法，GC 可以追蹤到任何的指針修改。使寫屏障生效的唯一條件是短暫終止程序，又名 “Stop the World”。
在進程啟動時，Go 也在每個 processor 起了一個標記 worker 來輔助標記內(nèi)存。
然后，當 root 被加入到處理隊列中后，標記階段就開始遍歷和用顏色標記內(nèi)存。
為了了解在標記階段的每一步，我們來看一個簡單的程序示例：
- type struct1 struct {
- a, b int64
- c, d float64
- e *struct2
- }
- type struct2 struct {
- f, g int64
- h, i float64
- }
- func main() {
- s1 := allocStruct1()
- s2 := allocStruct2()
- func () {
- _ = allocStruct2()
- }()
- runtime.GC()
- fmt.Printf("s1 = %X, s2 = %X\n", &s1, &s2)
- }
- //go:noinline
- func allocStruct1() *struct1 {
- return &struct1{
- e: allocStruct2(),
- }
- }
- //go:noinline
- func allocStruct2() *struct2 {
- return &struct2{}
- }
struct2 不包含指針，因此它被儲存在一個專門存放不被其他對象引用的對象的 span 中。
不包含指針的結構體儲存在專有的 span 中
這減少了 GC 的工作，因為標記內(nèi)存時不需要掃描這個 span。
分配工作結束后，我們的程序強迫 GC 重復前面的步驟。下面是流程圖：
掃描內(nèi)存
GC 從棧開始，遞歸地順著指針找指針指向的對象，遍歷內(nèi)存。掃描到被標記為 no scan 的 span 時，停止掃描。然而，這個工作是在多個協(xié)程中完成的，每個指針被加入到一個 work pool 中的隊列。然后，后臺運行的標記 worker 從這個 work pool 中拿到前面出列的 work，掃描這個對象然后把在這個對象里找到的指針加入到隊列。
garbage collector work pool
顏色標記
worker 需要一種記錄哪些內(nèi)存需要掃描的方法。GC 使用一種 三色標記算法[4]，工作流程如下：
- 開始時，所有對象都被認為是白色
- root 對象(棧，堆，全局變量)被標記為灰色
這個初始步驟完成后，GC 會：
- 選擇一個灰色的對象，標記為黑色
- 追蹤這個對象的所有指針，把所有引用的對象標記為灰色
然后，GC 重復以上兩步，直到?jīng)]有對象可被標記。在這一時刻，對象非黑即白，沒有灰色。白色的對象表示沒有其他對象引用，可以被回收。
下面是前面例子的圖示：
初始狀態(tài)下，所有的對象被認為是白色的。然后，遍歷到的且被其他對象引用的對象，被標記為灰色。如果一個對象在被標記為 no scan 的 span 中，因為它不需要被掃描，所以可以標記為黑色。
現(xiàn)在灰色的對象被加入到掃描隊列并被標記為黑色：
對加入到掃描隊列的所有對象重復做相同的操作，直到?jīng)]有對象需要被處理：
處理結束時，黑色對象表示內(nèi)存中在使用的對象，白色對象是要被回收的對象。我們可以看到，由于 struct2 的實例是在一個匿名函數(shù)中創(chuàng)建的且不再存在于棧上，因此它是白色的且可以被回收。
歸功于每一個 span 中的名為 gcmarkBits 的 bitmap 屬性，三色被原生地實現(xiàn)了，bitmap 對 scan 中相應的 bit 設為 1 來追蹤 scan。
我們可以看到，黑色和灰色表示的意義相同。處理的不同之處在于，標記為灰色時是把對象加入到掃描隊列，而標記為黑色時，不再掃描。
GC 最終 STW，清除每一次寫屏障對 work pool 做的改變，繼續(xù)后續(xù)的標記。
你可以在我的文章 Go GC 怎樣監(jiān)控你的應用[5] 中找到關于并發(fā)處理和 GC 的標記階段更詳細的描述。
runtime 分析器
Go 提供的工具使我們可以對每一步進行可視化，觀察 GC 在我們的程序中的影響。開啟 tracing 運行我們的代碼，可以看到前面所有步驟的一個概覽。下面是追蹤結果：
traces of the garbage collector
標記 worker 的生命周期也可以在追蹤結果中以協(xié)程等級可視化。下面是在啟動之前先在后臺等待標記內(nèi)存的 Goroutine #33 的例子。
marking worker
分享文章：GoGC怎么標記內(nèi)存？顏色是什么含義？圖解三色標記法
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