Golang GC 原理

一、内存泄漏

内存泄露，是从操作系统的角度上来阐述的，形象的比喻就是“操作系统可提供给所有进程的存储空间(虚拟内存空间)正在被某个进程榨干”，导致的原因就是程序在运行的时候，会不断地动态开辟的存储空间，这些存储空间在在运行结束之后后并没有被及时释放掉。应用程序在分配了某段内存之后，由于设计的错误，会导致程序失去了对该段内存的控制，造成了内存空间的浪费。

如果程序在内存空间内申请了一块内存，之后程序运行结束之后，没有把这块内存空间释放掉，而且对应的程序又没有很好的 gc 机制去对程序申请的空间进行回收，这样就会导致内存泄露。

二、GC 原理

root

首先标记 root 根对象，根对象的子对象也是存活的。

根对象包括：全局变量，各个 G stack 上的变量等。

标记

span 是内存管理的最小单位，所以猜测 gc 的粒度也是 span。

如图所示，通过 gcmarkBits 位图标记 span 的块是否被引用。对应内存分配中的 bitmap 区。

三色标记

• 灰色：对象已被标记，但这个对象包含的子对象未标记
• 黑色：对象已被标记，且这个对象包含的子对象也已标记，gcmarkBits 对应的位为 1（该对象不会在本次 GC 中被清理）
• 白色：对象未被标记，gcmarkBits 对应的位为 0（该对象将会在本次 GC 中被清理）

例如，当前内存中有 A~F 一共 6 个对象，根对象 a,b 本身为栈上分配的局部变量，根对象 a、b 分别引用了对象 A、B, 而 B 对象又引用了对象 D，则 GC 开始前各对象的状态如下图所示:

1. 初始状态下所有对象都是白色的。
2. 接着开始扫描根对象 a、b; 由于根对象引用了对象 A、B,那么 A、B 变为灰色对象，接下来就开始分析灰色对象，分析 A 时，A 没有引用其他对象很快就转入黑色，B 引用了 D，则 B 转入黑色的同时还需要将 D 转为灰色，进行接下来的分析。
3. 灰色对象只有 D，由于 D 没有引用其他对象，所以 D 转入黑色。标记过程结束
4. 最终，黑色的对象会被保留下来，白色对象会被回收掉。

STW

stop the world 是 gc 的最大性能问题，对于 gc 而言，需要停止所有的内存变化，即停止所有的 goroutine，等待 gc 结束之后才恢复。

触发

• 阈值：默认内存扩大一倍，启动 gc
• 定期：默认 2min 触发一次 gc，src/runtime/proc.go:forcegcperiod
• 手动：runtime.gc()

三、GC 过程

GO 的 GC 是并行 GC, 也就是 GC 的大部分处理和普通的 go 代码是同时运行的, 这让 GO 的 GC 流程比较复杂.

1. Stack scan：Collect pointers from globals and goroutine stacks。收集根对象（全局变量，和 G stack），开启写屏障。全局变量、开启写屏障需要 STW，G stack 只需要停止该 G 就好，时间比较少。
2. Mark: Mark objects and follow pointers。标记所有根对象, 和根对象可以到达的所有对象不被回收。
3. Mark Termination: Rescan globals/changed stack, finish mark。重新扫描全局变量，和上一轮改变的 stack（写屏障），完成标记工作。这个过程需要 STW。
4. Sweep: 按标记结果清扫 span

目前整个 GC 流程会进行两次 STW(Stop The World), 第一次是 Stack scan 阶段, 第二次是 Mark Termination 阶段.

• 第一次 STW 会准备根对象的扫描，启动写屏障(Write Barrier)和辅助 GC(mutator assist).
• 第二次 STW 会重新扫描部分根对象，禁用写屏障(Write Barrier)和辅助 GC(mutator assist).

从 1.8 以后的 golang 将第一步的 stop the world 也取消了，这又是一次优化； 1.9 开始, 写屏障的实现使用了 Hybrid Write Barrier, 大幅减少了第二次 STW 的时间.

写屏障

因为 go 支持并行 GC****, GC 的扫描和 go 代码可以同时运行, 这样带来的问题是 GC 扫描的过程中 go 代码有可能改变了对象的依赖树。

例如开始扫描时发现根对象 A 和 B, B 拥有 C 的指针。

1. GC 先扫描 A，A 放入黑色
2. B 把 C 的指针交给 A
3. GC 再扫描 B，B 放入黑色
4. C 在白色，会回收；但是 A 其实引用了 C。

为了避免这个问题, go 在 GC 的标记阶段会启用写屏障(Write Barrier).

启用了写屏障(Write Barrier)后，在 GC 第三轮 rescan 阶段，根据写屏障标记将 C 放入灰色，防止 C 丢失。

文章来源：https://www.cnblogs.com/linguoguo/p/10611657.html