『每周译Go』golang 垃圾回收器如何标记内存？_vlambda技术博客

vlambda
2021-06-30

『每周译Go』golang 垃圾回收器如何标记内存？

本文基于 Go 1.13。这里讨论的关于内存管理的概念在我的文章Go:内存管理和分配中有解释

Go 垃圾回收器负责回收不再使用的内存。实现的算法是一个并行的三色标记扫描采集器。在本文中，我们将详细了解标记阶段，以及不同颜色的用法。

您可以在 kenfox 的可视化垃圾回收算法中找到关于不同类型垃圾回收器的更多信息。

标记阶段

此阶段执行内存扫描，以了解代码仍在使用哪些块，以及应该回收哪些块。

但是，由于垃圾回收器可以与我们的 Go 程序同时运行，因此它需要一种在扫描时检测内存中潜在变化的方法。为了解决这个潜在的问题，实现了一个写屏障算法，允许 Go 跟踪任何指针的变化。启用写屏障的唯一条件是短时间停止程序，也称为 “STW”：

『每周译Go』golang 垃圾回收器如何标记内存？

在进程开始时，Go 还会为每个处理器启动一个标记辅助进程，以帮助标记内存。

然后，一旦根节点被排队等待处理，标记阶段就可以开始遍历内存并为其着色。

现在让我们以一个简单的程序为例，该程序允许我们遵循标记阶段所做的步骤

Type struct1 struct {
    a, b int64
    c, d float64
    e *struct2
}

type struct2 struct {
    f, g int64
    h, i float64
}

func main() {
    s1 := allocStruct1()
    s2 := allocStruct2()

    func () {
        _ = allocStruct2()
    }()

    runtime.GC()

    fmt.Printf("s1 = %X, s2 = %X\n", &s1, &s2)
}

//go:noinline
func allocStruct1() *struct1 {
    return &struct1{
        e: allocStruct2(),
    }
}

//go:noinline
func allocStruct2() *struct2 {
    return &struct2{}
}

由于 struct subStruct 不包含任何指针，因此它存储在一个专用于对象的范围中，而不引用其他对象：

『每周译Go』golang 垃圾回收器如何标记内存？

这使得垃圾回收器的工作更容易，因为它在标记内存时不必扫描这个范围。

一旦分配完成，我们的程序就会强制垃圾回收器运行一个周期。以下是工作流程：

『每周译Go』golang 垃圾回收器如何标记内存？

垃圾回收器从堆栈开始标记，然后跟着指针递归遍历内存。直到对象都被标记时停止扫描。然而，这个过程不是在同一个 goroutine 中完成的完成的；每个指针都在工作池中排队。然后，后台的标记线程发现之前的出列队列是来自该工作池，扫描对象，然后将在其中找到的指针加入队列：

着色!

后台线程现在需要一种方法来跟踪哪些内存有没有被扫描。垃圾回收器使用三色算法，其工作原理如下：

所有对象一开始都被认为是白色的
根对象（堆栈、堆、全局变量）将以灰色显示

完成此主要步骤后，垃圾回收器将：

选择一个灰色的对象，把它涂成黑色
遵循此对象的所有指针并将所有引用的对象涂成灰色

然后，它将重复这两个步骤，直到没有更多的对象要着色。从这一点来看，对象不是黑色就是白色。白色集合表示未被任何其他对象引用且准备好回收的对象。

下面是使用上一个示例对其进行的表示：

『每周译Go』golang 垃圾回收器如何标记内存？

作为第一种状态，所有对象都被视为白色。然后，对象被遍历，可到达的对象将变为灰色。如果对象位于标记为 “无扫描” 的范围内，则可以将其绘制为黑色，因为不需要对其进行扫描：

『每周译Go』golang 垃圾回收器如何标记内存？

灰色对象现在入队等待扫描并变黑：

『每周译Go』golang 垃圾回收器如何标记内存？

在没有更多的对象要处理之前，入队的对象也会发生同样的情况：

『每周译Go』golang 垃圾回收器如何标记内存？

在进程结束时，黑色对象是内存中正在使用的对象，而白色对象是要回收的对象。如我们所见，由于 struct2 的实例是在匿名函数中创建的，并且无法从堆栈访问，因此它保持为白色，可以清除。

由于每个跨度中有一个名为 gcmarkBits 的位图属性，颜色在内部实现，该属性跟踪扫描，并将相应的位设置为 1：

『每周译Go』golang 垃圾回收器如何标记内存？

正如我们所见，黑色和灰色的工作原理是一样的。这一过程的不同之处在于，当黑色对象结束扫描链时，灰色对象排队等待扫描。

垃圾回收器最终会 stops the world，将每个写屏障上所做的更改刷新到工作池，并执行剩余的标记。

您可以在我的文章Go:垃圾回收器如何监视您的应用程序中找到有关并发进程和垃圾回收器中标记阶段的更多详细信息

运行时分析器

Go 提供的工具允许我们可视化所有这些步骤，并在程序中查看垃圾回收器的影响。在启用跟踪的情况下运行我们的代码提供了前面步骤的一个大图。以下是 traces：

标记线程的生命周期也可以在 goroutine 级别的 tracer 中可视化。下面是 goroutine#33 的示例，它在开始标记内存之前先在后台等待。