雖然Golang的GC自打一開(kāi)始，就被人所詬病，但是經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展，Golang的GC已經(jīng)改善了非常多，變得非常優(yōu)秀了。

以下是Golang GC算法的里程碑：

• v1.1 STW
• v1.3 Mark STW, Sweep 并行
• v1.5 三色標(biāo)記法
• v1.8 hybrid write barrier

經(jīng)典的GC算法有三種： 引用計(jì)數(shù)(reference counting) 、 標(biāo)記-清掃(mark sweep) 、 復(fù)制收集(Copy and Collection) 。

Golang的GC算法主要是基于 標(biāo)記-清掃(mark and sweep) 算法，并在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn)。因此，在此主要介紹一下 標(biāo)記-清掃(mark and sweep)算法 ，關(guān)于 引用計(jì)數(shù)(reference counting) 和 復(fù)制收集(copy and collection) 可自行百度。

標(biāo)記-清掃(Mark And Sweep)算法

此算法主要有兩個(gè)主要的步驟：

• 標(biāo)記(Mark phase)
• 清除(Sweep phase)

第一步，找出不可達(dá)的對(duì)象，然后做上標(biāo)記。

第二步，回收標(biāo)記好的對(duì)象。

操作非常簡(jiǎn)單，但是有一點(diǎn)需要額外注意： mark and sweep 算法在執(zhí)行的時(shí)候，需要程序暫停！即 stop the world 。

也就是說(shuō)，這段時(shí)間程序會(huì)卡在哪兒。故中文翻譯成 卡頓 。

我們來(lái)看一下圖解：

開(kāi)始標(biāo)記，程序暫停。程序和對(duì)象的此時(shí)關(guān)系是這樣的：

然后開(kāi)始標(biāo)記，process找出它所有可達(dá)的對(duì)象，并做上標(biāo)記。如下圖所示：

標(biāo)記完了之后，然后開(kāi)始清除未標(biāo)記的對(duì)象：

然后 垃圾 清除了，變成了下圖這樣。

最后，停止暫停，讓程序繼續(xù)跑。然后循環(huán)重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到 process 生命周期結(jié)束。

標(biāo)記-清掃(Mark And Sweep)算法存在什么問(wèn)題？

標(biāo)記-清掃(Mark And Sweep)算法 這種算法雖然非常的簡(jiǎn)單，但是還存在一些問(wèn)題：

• STW，stop the world；讓程序暫停，程序出現(xiàn)卡頓。
• 標(biāo)記需要掃描整個(gè)heap
• 清除數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生heap碎片

這里面最重要的問(wèn)題就是：mark-and-sweep 算法會(huì)暫停整個(gè)整個(gè)程序。

Go是如何面對(duì)并這個(gè)問(wèn)題的呢？

三色并發(fā)標(biāo)記法

我們先來(lái)看看Golang的三色標(biāo)記法的大體流程。

首先：程序創(chuàng)建的對(duì)象都標(biāo)記為白色。

gc開(kāi)始：掃描所有可到達(dá)的對(duì)象，標(biāo)記為灰色

從灰色對(duì)象中找到其引用對(duì)象標(biāo)記為灰色，把灰色對(duì)象本身標(biāo)記為黑色

監(jiān)視對(duì)象中的內(nèi)存修改，并持續(xù)上一步的操作，直到灰色標(biāo)記的對(duì)象不存在

此時(shí)，gc回收白色對(duì)象。

最后，將所有黑色對(duì)象變?yōu)榘咨?，并重?fù)以上所有過(guò)程。

好了，大體的流程就是這樣的，讓我們回到剛才的問(wèn)題：Go是如何解決 標(biāo)記-清除(mark and sweep) 算法中的卡頓(stw，stop the world)問(wèn)題的呢？

gc和用戶(hù)邏輯如何并行操作？

標(biāo)記-清除(mark and sweep)算法的STW(stop the world)操作，就是runtime把所有的線程全部?jī)鼋Y(jié)掉，所有的線程全部?jī)鼋Y(jié)意味著用戶(hù)邏輯是暫停的。這樣所有的對(duì)象都不會(huì)被修改了，這時(shí)候去掃描是絕對(duì)安全的。

Go如何減短這個(gè)過(guò)程呢？標(biāo)記-清除(mark and sweep)算法包含兩部分邏輯：標(biāo)記和清除。

我們知道Golang三色標(biāo)記法中最后只剩下的黑白兩種對(duì)象，黑色對(duì)象是程序恢復(fù)后接著使用的對(duì)象，如果不碰觸黑色對(duì)象，只清除白色的對(duì)象，肯定不會(huì)影響程序邏輯。所以： 清除操作和用戶(hù)邏輯可以并發(fā)。

標(biāo)記操作和用戶(hù)邏輯也是并發(fā)的，用戶(hù)邏輯會(huì)時(shí)常生成對(duì)象或者改變對(duì)象的引用，那么標(biāo)記和用戶(hù)邏輯如何并發(fā)呢？

process新生成對(duì)象的時(shí)候，GC該如何操作呢？不會(huì)亂嗎？

我們看如下圖，在此狀態(tài)下：process程序又新生成了一個(gè)對(duì)象，我們?cè)O(shè)想會(huì)變成這樣：

但是這樣顯然是不對(duì)的，因?yàn)榘凑杖珮?biāo)記法的步驟，這樣新生成的對(duì)象A最后會(huì)被清除掉，這樣會(huì)影響程序邏輯。

Golang為了解決這個(gè)問(wèn)題，引入了 寫(xiě)屏障 這個(gè)機(jī)制。

寫(xiě)屏障：該屏障之前的寫(xiě)操作和之后的寫(xiě)操作相比，先被系統(tǒng)其它組件感知。

通俗的講：就是在gc跑的過(guò)程中，可以監(jiān)控對(duì)象的內(nèi)存修改，并對(duì)對(duì)象進(jìn)行重新標(biāo)記。(實(shí)際上也是超短暫的stw，然后對(duì)對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記)

在上述情況中， 新生成的對(duì)象，一律都標(biāo)位灰色！
即下圖：

那么，灰色或者黑色對(duì)象的引用改為白色對(duì)象的時(shí)候，Golang是該如何操作的？

看如下圖，一個(gè)黑色對(duì)象引用了曾經(jīng)標(biāo)記的白色對(duì)象。

這時(shí)候，寫(xiě)屏障機(jī)制被觸發(fā)，向GC發(fā)送信號(hào)，GC重新掃描對(duì)象并標(biāo)位灰色。

因此，gc一旦開(kāi)始，無(wú)論是創(chuàng)建對(duì)象還是對(duì)象的引用改變，都會(huì)先變?yōu)榛疑?/p>

參考文獻(xiàn)：

Golang's Real-time GC in Theory and Practice

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