Golang 垃圾回收机制

本文简单介绍 golang 的垃圾回收（Garbage Collection）

前言

垃圾回收是编程语言中提供的内存管理功能。

在 C/C++ 中，堆变量的内存是由程序员自己维护的，即如果变量不再使用，需要程序员手动释放内存，不然会发生资源浪费甚至内存泄漏。

// C++ example
int main() {
    int *a;
    for (size_t i = 0; i < 1000000; ++i) {
        a = new int[1000];
        // delete[] a;		doesn't free memory, result in crashed
    }
    return 0;
}

为了解决这个问题，后来开发出来的几乎所有新语言（java，python，php等等）都引入了语言层面的自动内存管理 —— 也就是语言的使用者只用关注内存的申请而不必关心内存的释放，内存释放由 虚拟机（virtual machine）或 运行时（runtime） 来自动进行管理。而这种对不再使用的内存资源进行自动回收的功能就被称为垃圾回收。

垃圾回收算法

这里只介绍常用的 引用计数，以及 golang 使用到的 标记-清楚，三色标记法

引用计数（Reference counting）

引用计数的思想很简单，就是当有其他变量引用该对象时计数器就加一，当引用该对象的变量不再引用或是被回收时计数器就减一，当计数器为 0 时对象便会被回收。

优点：

• 方法简单，回收速度快

缺点：

• 无法解决循环引用问题
• 花费额外空间
• 更新计数器影响性能

标记 - 清除（Mark and Sweep）

1. 标记从根变量开始迭代遍历所有被引用的对象，对能够通过应用遍历访问到的对象都标记为“被引用”；
2. 标记完成后进行清除操作，对没有标记过的内存进行回收（回收同时可能伴有碎片整理操作）。

用图表示如下：

优点：

• 解决了引用计数的问题

缺点：

• 垃圾回收时会 stop the world，存在性能问题

后续出现了很多 mark&sweep 算法的变种（如三色标记法）优化了这个问题。

三色标记算法（Tricolor Mark-and-sweep Algorithm）

三色标记法是对 标记-清除 的改进，在 mark 时，不再简单标记，而是：

1. 将所有对象标为 白色

2. 将可达到的对象标记为 灰色

3. 将 灰色 对象的引用对象标为新的灰色，并将当前对象标为黑色

4. 重复步骤 3，直至不存在灰色对象

清除的时候再将白色对象回收。

用图表示如下：

写屏障（Write Barrier）

为了解决 GC 的同时用户修改了引用关系引入的拦截机制，会在 GC 运行时监视内存修改，并对对象重新标记。

假设有两种情况：

1. 产生了新对象：GC 会把所有新对象标记为 灰色，避免被 sweep
2. 引用了 白色 对象：重新标记为灰色

Go GC

上图便是 Golang 的 GC 流程，可以看到，STW 只有 GC 开始时和 Re-scan（更新写屏障监视到的修改） 时出现，优化了性能。

变化过程

• v1.1 STW
• v1.3 Mark STW, Sweep 并行
• v1.5 三色标记法
• v1.8 hybrid write barrier（Yuasa-style deletion write barrier [Yuasa ‘90] 和 Dijkstra-style insertion write barrier [Dijkstra ‘78]）

Reference

GO GC 垃圾回收机制

图解Golang的GC算法

Golang 垃圾回收剖析