golang 垃圾回收

2021/02/04 golang
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根对象、三色标记法、写屏障、混合写屏障、GC触发时机

Golang 垃圾回收

GC 的优化及发展目标:在保障对象正常清除的情况下,缩小STW时间

已经由早起的几百毫秒优化到现在的半毫秒以下

1、根对象

根对象在垃圾回收的术语中又叫做根集合,它是垃圾回收器在标记过程时最先检查的对象,包括:

  1. 全局变量:程序在编译期就能确定的那些存在于程序整个生命周期的变量。
  2. 执行栈:每个 goroutine 都包含自己的执行栈,这些执行栈上包含栈上的变量及指向分配的堆内存区块的指针。
  3. 寄存器:寄存器的值可能表示一个指针,参与计算的这些指针可能指向某些赋值器分配的堆内存区块

2、标记清除法

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  • STW,stop the world;让程序暂停,程序出现卡顿 (重要问题)
  • 标记需要扫描整个heap
  • 清除数据会产生heap碎片

3、三色标记法

所有对象被划分为三种颜色,对应三种状态:

  • 白色:未遍历到
  • 灰色:遍历到自己,但是未遍历到子节点的
  • 黑色:已经遍历完自己和子节点

最后: 白色 + 黑色

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三色标记法的缺点:对象丢失

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可以看出,有两个问题, 在三色标记法中,是不希望被发生的

  • 条件1: 一个白色对象被黑色对象引用(白色被挂在黑色下)
  • 条件2: 灰色对象与它之间的可达关系的白色对象遭到破坏(灰色同时丢了该白色)

当以上两个条件同时满足时, 就会出现对象丢失现!

当然, 如果上述中的白色对象3, 如果他还有很多下游对象的话, 也会一并都清理掉.

为了防止这种现象的发生,最简单的方式就是STW,直接禁止掉其他用户程序对对象引用关系的干扰,但是STW的过程有明显的资源浪费,对所有的用户程序都有很大影响,如何能在保证对象不丢失的情况下合理的尽可能的提高GC效率,减少STW时间呢?

4、写屏障

(1) “强-弱” 三色不变式

  • 强三色不变式

不存在黑色对象引用到白色对象的指针。

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  • 弱三色不变式

所有被黑色对象引用的白色对象都处于灰色保护状态.

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为了遵循上述的两个方式,Golang团队初步得到了如下具体的两种屏障方式“插入屏障”, “删除屏障”.

(2) 插入写屏障

具体操作: 在A对象引用B对象的时候,B对象被标记为灰色。(将B挂在A下游,B必须被标记为灰色)

满足: 强三色不变式. (不存在黑色对象引用白色对象的情况了, 因为白色会强制变成灰色)

(3) 删除写屏障

具体操作: 被删除的对象,如果自身为灰色或者白色,那么被标记为灰色。

满足: 弱三色不变式. (保护灰色对象到白色对象的路径不会断)

插入写屏障和删除写屏障的短板:

  • 插入写屏障:结束时需要STW来重新扫描栈,标记栈上引用的白色对象的存活;
  • 删除写屏障:回收精度低,GC开始时STW扫描堆栈来记录初始快照,这个过程会保护开始时刻的所有存活对象。

5、混合写屏障

具体操作:

1、GC开始将栈上的对象全部扫描并标记为黑色(之后不再进行第二次重复扫描,无需STW),

2、GC期间,任何在栈上创建的新对象,均为黑色。

3、被删除的对象标记为灰色。

4、被添加的对象标记为灰色。

满足: 变形的弱三色不变式.

Golang中的混合写屏障满足弱三色不变式,结合了删除写屏障和插入写屏障的优点,只需要在开始时并发扫描各个goroutine的栈,使其变黑并一直保持,这个过程不需要STW,而标记结束后,因为栈在扫描后始终是黑色的,也无需再进行re-scan操作了,减少了STW的时间。

6、GC触发时机

  • 手动调用 runtime.GC()
  • 超过内存大小阈值
  • 达到定时时间 阈值是由一个gcpercent的变量控制的,当新分配的内存占已在使用中的内存的比例超过gcprecent时就会触发。比如一次回收完毕后,内存的使用量为5M,那么下次回收的时机则是内存分配达到10M的时候。也就是说,并不是内存分配越多,垃圾回收频率越高。 如果一直达不到内存大小的阈值呢?这个时候GC就会被定时时间触发,比如一直达不到10M,那就定时(默认2min触发一次)触发一次GC保证资源的回收

通常小对象(<32kb)过多会导致 GC ,三色法消耗过多的GPU。在编程过程中,尽可能减少对象分配,如使用结构体变量、减少值传递等。


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