10｜GC 相关

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§ 10: 本文

1. go gc 是怎么实现的？（必问）
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分析

go 语言的 gc 经历了多个版本的迭代和逐步优化，在回答的时候突出三色标记法配合混合写屏障技术就可以了，但是对于问题的追问，其中涉及到的细节要做到心中有数。

回答

go 语言的 gc 策略是采用三色标记法。但是单纯的三色标记会带来 STW，导致执行效率不高，所以在 1.8 版本之后，采用了三色标记法配合混合写屏障技术来实现 gc。

问题追问

1.3 版本前：普通标记清除法，整个 gc 过程需要启动 STW，效率极低。
1.5 版本：三色标记法，堆空间启动写屏障，栈空间不启动，全部扫描之后，需要重新扫描一次栈（需要 STW），效率普通。
1.8 版本：三色标记法，混合写屏障机制。栈空间不启动写屏障，根节点可达对象和新加入的对象全部标记成黑色，堆空间启用写屏障，整个扫描过程不需要 STW，效率高。

第一步： 应用程序开始运行时，所有对象默认标记为白色。

第二步： 从根节点开始遍历，把遍历到的对象标记为灰色，放到灰色标记表中。

第三步： 遍历灰度集合，将灰色对象标记为黑色，并由灰色标记表移动到黑色标记表中；将黑色对象引用的白色对象标记为灰色，放到灰色标记表中。

第四步： 重复第三步，直到灰色标记表为空。

三色标记的整个过程都是跟业务逻辑并行的，这样就会带来一定的问题，可能会修改已标记为黑色对象的引用关系，比如会让黑色对象指向一个白色对象，所以标记过程中还是需要 STW，会影响程序的性能。

引入了屏障技术来解决 STW 的问题。屏障技术主要分为插入写屏障和删除写屏障，在 Go 1.8 之后采用二者的一个综合，用混合写屏障来处理。

插入写屏障主要是针对插入新对象，或者说是添加对象之间的引用关系。被插入的对象或者被引用指向的对象会被标记为灰色。

但是插入写屏障只能在堆上操作，不能在栈上操作。这是因为 Go 在并发运行时，大部分操作都发生在栈上，函数调用会非常频繁，数十万 goroutine 的栈都进行屏障保护会有严重的性能问题。

删除写屏障主要是断开引用关系，被断开连接的下一个对象直接标记为灰色。

在 GC 刚开始的时候，会将栈上的可达对象全部标记为黑色。GC 过程中任何在栈上新创建的对象，均标记为黑色。这样就可以保证三色标记流程结束后，不需要再对栈上重新进行一次 rescan。

在堆上的操作时：堆上被删除的对象标记为灰色，堆上新添加的对象标记为灰色。

分析

go 语言的整个 gc 流程大致可以分为下面 5 个步骤：

阶段	描述	赋值器状态
SweepTermination	清除终止阶段，为下一个阶段的并发标记做准备工作，启动写屏障	STW
Mark	扫描标记阶段，与赋值器并发执行，写屏障开启状态	并发
MarkTermination	标记终止阶段，保证一个周期内标记任务完成，停止写屏障	STW
GCoff	内存清除阶段，将需要回收的内存归还到堆中，写屏障关闭状态	并发
GCoff	内存归还阶段，将过多的内存归还给操作系统，写屏障关闭状态	并发

回答

虽然有了混合写屏障技术，go 语言的整个 gc 过程中还是有两次 STW。因为写屏障需要开启和关闭，在整个标记过程开始之前需要 STW，用于开启写屏障，为标记做准备；在标记终止阶段同样需要短暂的 STW 来暂停写屏障。

分析

gc 的触发分为手动和被动两种。

主动触发：通过调用 runtime.GC() 来触发 GC，此调用阻塞式地等待当前 GC 运行完毕。
被动触发，分为两种方式：
- go 后台有一系统监控线程，当超过两分钟没有产生任何 GC 时，强制触发 GC。
- 内存使用增长一定比例时有可能会触发。每次内存分配时检查当前内存分配量是否已达到阈值（环境变量 GOGC），默认 100%，即当内存扩大一倍时启用 GC。
  - 我们可以通过 debug.SetGCPercent(500) 来修改步调，这里表示，如果当前堆大小超过了上次标记的堆大小的 500%，就会触发。
  - 而第一次 GC 的触发的临界值是 4MB。

回答