一 概念基礎(chǔ)

1.1三色標(biāo)記法將對象分為三類

把圖過程中遇到的對象，按“是否訪問過”這個條件標(biāo)記成以下三種顏色：

白色對象（可能死亡）：未被回收器訪問到的對象。在回收開始階段，所有對象均為白色，當(dāng)回收結(jié)束后，白色對象均不可達(dá)。

灰色對象（波面）：已被回收器訪問到的對象，但回收器需要對其中的一個或多個指針進(jìn)行掃描，因為他們可能還指向白色對象。

黑色對象（確定存活）：已被回收器訪問到的對象，其中所有字段都已被掃描，黑色對象中任何一個指針都不可能直接指向白色對象。

1.2 標(biāo)記過程

• 起初所有的對象都是白色的；
• 從根對象出發(fā)掃描所有可達(dá)對象，標(biāo)記為灰色，放入待處理隊列；
• 從待處理隊列中取出灰色對象，將其引用的對象標(biāo)記為灰色并放入待處理隊列中，自身標(biāo)記為黑色；
• 重復(fù)步驟3，直到待處理隊列為空，此時白色對象即為不可達(dá)的“垃圾”，回收白色對象；
• 回收所有的白色對象，也就是回收垃圾

根對象

在垃圾回收的術(shù)語中又叫做根集合，它是垃圾回收器在標(biāo)記過程時最先檢查的對象。

• 全局變量：程序在編譯期就能確定的那些存在于程序整個生命周期的變量。
• 執(zhí)行棧：每個 goroutine 都包含自己的執(zhí)行棧，這些執(zhí)行棧上包含棧上的變量及指向分配的堆內(nèi)存區(qū)塊的指針。
• 寄存器：寄存器的值可能表示一個指針，參與計算的這些指針可能指向某些賦值器分配的堆內(nèi)存區(qū)塊。

1.3 STW

STW（Stop The World）機(jī)制是指在進(jìn)行垃圾回收時，會暫停應(yīng)用程序的運行，以便進(jìn)行垃圾回收操作。這意味著在進(jìn)行垃圾回收時，應(yīng)用程序?qū)o法繼續(xù)執(zhí)行。

為什么需要STW

STW（Stop-The-World）機(jī)制來確保并發(fā)操作的正確性。

如果不設(shè)置STW機(jī)制，那么在進(jìn)行GC時，應(yīng)用程序線程可能會繼續(xù)執(zhí)行，從而導(dǎo)致內(nèi)存管理的不一致性和錯誤。此外，GC可能會導(dǎo)致內(nèi)存分配和釋放的不連續(xù)，從而導(dǎo)致內(nèi)存碎片化問題。

因此，需要STW機(jī)制來確保GC的正確性和內(nèi)存管理的一致性。雖然STW機(jī)制會導(dǎo)致一定的性能損失，但是這是必要的代價，以確保應(yīng)用程序的正確性和穩(wěn)定性。

1.4 屏障機(jī)制

1.4.1強(qiáng)、弱三色不變式

強(qiáng)三色不變式：強(qiáng)制性的不允許黑色對象引用白色對象，只能引用灰色對象，這樣就不會出現(xiàn)白色對象被誤刪的情況。

弱三色不等式 ：
保護(hù)灰色對象到白色對象的路徑不會斷；

黑色對象可以引用白色對象，白色對象存在其他灰色對象對它的引用。
或可達(dá)它的鏈路上游存在灰色對象。這樣實則是黑色對象引用白色對象，白色對象處于一個被刪除的狀態(tài)，但是上游灰色對象的引用，可以保護(hù)白色對象，使其安全。

為了遵循上述兩種方式，GC算法演進(jìn)到兩種屏障方式，“插入屏障”和“刪除屏障”。

1.4.2 插入屏障

在A對象引用B對象時，B對象被標(biāo)記為灰色。（將B掛在A下游，B必須被標(biāo)記為灰色）

滿足強(qiáng)三色不等式。

插入屏障機(jī)制在棧空間的對象操作不使用，僅僅使用在堆空間對象的操作中。

1.4.3 刪除屏障

被刪除的對象，如果本身為灰色或白色，那么標(biāo)記為灰色。

滿足弱三色不等式。

1.4.4 混合屏障

插入寫屏障和刪除寫屏障的缺點：

• 插入寫屏障：結(jié)束時需要STW來重新掃描棧，標(biāo)記棧上引用的白色對象存活
• 刪除寫屏障：回收精度低，GC開始時STW掃描堆棧來記錄快照，這個過程會保護(hù)開始時刻的所有的存活對象。

Go1.8引入混合寫屏障機(jī)制，避免了對棧的重復(fù)掃描過程，極大減少了STW的時間。

• GC開始將棧上的對象全部掃描并標(biāo)記為黑色（之后不再進(jìn)行第二次重復(fù)掃描，無需STW）
• GC期間，任何在棧上創(chuàng)建的新對象，都標(biāo)記為黑色
• 被刪除的對象標(biāo)記為灰色
• 被添加的對象標(biāo)記為灰色

二 GC過程

2.1 階段1：Mark Setup 標(biāo)記準(zhǔn)備

為了打開寫屏障，必須停止每個goroutine，讓垃圾收集器觀察并等待每個goroutine進(jìn)行函數(shù)調(diào)用，等待函數(shù)調(diào)用是為了保證goroutine停止時處于安全點。（期間會STW）

2.2 階段2：Marking 標(biāo)記

一旦寫屏障打開，垃圾收集器就開始標(biāo)記階段。

標(biāo)記階段需要標(biāo)記在堆內(nèi)存中仍然在使用中的值。首先檢查所有現(xiàn)goroutine的堆棧，以找到堆內(nèi)存的根指針。然后收集器必須從那些根指針遍歷堆內(nèi)存圖，標(biāo)記可以回收的內(nèi)存。

當(dāng)存在新的內(nèi)存分配時，會暫停分配內(nèi)存過快的那些 goroutine，并將其轉(zhuǎn)去執(zhí)行一些輔助標(biāo)記（Mark Assist）的工作，從而達(dá)到放緩繼續(xù)分配、輔助 GC 的標(biāo)記工作的目的。

2.3階段3：Mark Termination 標(biāo)記結(jié)束

這個階段會關(guān)閉掉階段1開啟的屏障，并計算下一次清理的目標(biāo)和計劃。（本階段會STW）

2.4 階段4：Sweeping 清理

清理階段用于回收標(biāo)記階段中標(biāo)記出來的可回收內(nèi)存。當(dāng)應(yīng)用程序goroutine嘗試在堆內(nèi)存中分配新內(nèi)存時，會觸發(fā)該操作，清理導(dǎo)致的延遲和吞吐量降低被分散到每次內(nèi)存分配時。

本階段會并發(fā)執(zhí)行，清除前面標(biāo)記出來需清理的內(nèi)存。

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