Golang 垃圾回收(GC)原理

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什么是垃圾回收(GC)

垃圾回收算法 中比较常见的有 标记清除(Mark-Sweep) 和 引用计数(Reference Count)，而Golang 采用 标记清除法。并在 标记清除法 上使用 三色标记法 和 写屏障 等技术大大提高工作效率。

标记清除收集器是 跟踪式 垃圾收集器，它的工作流程大致分为两个阶段：标记(Mark) 和 清除(Sweep)：

• 标记阶段 — 从 根对象(root) 开始查找并标记 堆 中 所有存活对象

• 清除阶段 — 回收 堆中未被标记 的垃圾对象 并 将 回收的内存加入空闲链表

什么是三色标记法

三色标记算法将程序中的对象分成白色、黑色、灰色三类。

• 白色：不确定对象

• 灰色：存活对象，子对象待处理

• 黑色：存活对象

三色法标记过程

1. 标记开始：所有对象加入白色集合(这一步需 STW)。

2. 将 根对象 标记为 灰色，加入 灰色集合

3. 垃圾搜集器取出一个灰色对象，将其标记为黑色，并将其指向对象标记为灰色，加入灰色集合

4. 重复 第三步过程，直到灰色集合为空为止

5. 标记阶段结束：那么白色对象为需要清理对象；而黑色对象为根可达对象，不能被清理(这一步需 STW)

并发时三色法存在的问题

由于 三色标记法 多了一个 白色状态 来存放 不确定对象。
结合并发执行的后续标记阶段，就有可能会造成一些遗漏：比如早先被标记为黑色对象 可能目前已经变不可达。
三色标记法 并发情况下执行 仍存在一个问题，即在 GC 过程中，对象指针发生了改变。

比如下面的例子：A (黑) -> B (灰) -> C (白) -> D (白)

正常情况下：D 对象最终会被标记为黑色，不应被回收。

但在 标记 和用户程序 并发执行：用户程序删除了 C 对 D 的引用，而 A 获得了 D 的引用。

标记继续进行，D 就没有机会被标记为黑色了（A 已经处理过，这一轮不会再被处理）。

A (黑) -> B (灰) -> C (白)

↓

D (白)

这显然是不允许的。

什么是写屏障

为了解决这个问题，Golang 的垃圾收集器使用了写屏障（Write Barrier）技术：

当对象新增、更新时，将对象着色为灰色。

写屏障主要做一件事情：修改原来写逻辑，在对象新增、更新 同时给它着色为灰色。

因此写屏障可以保证了三色标记法在并发情况下正确地运行。

如此一来：即使 GC与用户程序并发执行。对象引用发生变化，垃圾收集器也能正确处理。

那么有人就会问这些写屏障标记成灰色的对象什么时候回收呢？

在新的 GC 过程中所有已存对象 又从白色开始 逐步 按上面 三色法标记过程 分类处理

完整的 GC 分为四个阶段：

1）标记准备(Mark Setup，需 STW)，打开写屏障(Write Barrier)

2）使用三色标记法标记（Marking, 并发）

3）标记结束(Mark Termination，需 STW)，关闭写屏障。

4）清理(Sweeping, 并发)