前言

Google 搜索 Golang GC 排名靠前的文章都講的不錯，從設計到實現，從演進到源碼，一應俱全。但是龐雜的信息會給人一種恐懼感，讓人望而卻步。本文嘗試使用較為簡單易懂的語言和圖像，講解 Golang 的垃圾回收機制。

垃圾回收算法

目前比較常見的垃圾回收算法有三種：

1. 引用計數：為每個對象維護一個引用計數，當引用該對象的對象銷燬時，引用計數 -1，當對象引用計數為 0 時回收該對象。

   • 代表語言：Python、PHP、Swift
   • 優點：對象回收快，不會出現內存耗盡或達到某個閾值時才回收。
   • 缺點：不能很好的處理循環引用，而實時維護引用計數也是有損耗的。

2. 標記-清除：從根變量開始遍歷所有引用的對象，標記引用的對象，沒有被標記的進行回收。

   • 代表語言：Golang（三色標記法）
   • 優點：解決了引用計數的缺點。
   • 缺點：需要 STW，暫時停掉程序運行。

3. 分代收集：按照對象生命週期長短劃分不同的代空間，生命週期長的放入老年代，短的放入新生代，不同代有不同的回收算法和回收頻率。

   • 代表語言：Java
   • 優點：回收性能好
   • 缺點：算法複雜

Golang 垃圾回收

跳過原理，我們先來介紹 Golang 的三色標記法。

三色標記法

三色標記法只是為了敘述方便而抽象出來的一種說法，實際上的對象是沒有三色之分的。這裡的三色，對應了垃圾回收過程中對象的三種狀態：

• 灰色：對象還在標記隊列中等待
• 黑色：對象已被標記，gcmarkBits 對應位為 1 -- 該對象不會在本次 GC 中被回收
• 白色：對象未被標記，gcmarkBits 對應位為 0 -- 該對象將會在本次 GC 中被清理

具體流程如下圖：

回收原理

通過上圖，應該對三色標記法有了一個比較直觀的瞭解，那麼我們現在來講講原理。簡單的講，就是標記內存中那些還在使用中（即被引用了）的部分，而內存中不再使用（即未被引用）的部分，就是要回收的垃圾，需要將其回收，以供後續內存分配使用。上圖中的 A、B、D 就是被引用正在使用的內存，而C、F、E 曾經被使用過，但現在沒有任何對象引用，就需要被回收掉。

而 Root 區域主要是程序運行到當前時刻的棧和全局數據區域，是實時正在使用到的內存，當然應該優先標記。而考慮到內存塊中存放的可能是指針，所以還需要遞歸的進行標記，待全部標記完後，就會對未被標記的內存進行回收。

內存標記

golang 中採用 span 數據結構管理內存，span 中維護了一個個內存塊，並由一個位圖 allocBits 表示內存塊的分配情況，而上文中提到的 gcmarkBits 是記錄每塊內存塊被引用情況的。

如上圖，allocBits 記錄了每塊內存的分配情況，而 gcmarkBits 記錄了每塊內存的標記情況。在標記階段會對每塊內存進行標記，有對象引用的內存標記為 1，沒有對象引用的為 0。而 allocBits 和 gcmarkBits 的數據結構是完全一樣的，在結束標記後，將 allocBits 指向 gcmarkBits，則有標記的才是存活的，這樣就完成了內存回收。而 gcmarkBits 則會在下次標記時重新分配內存。

垃圾回收優化

在前文中提到，golang 的垃圾回收算法屬於 標記-清除，是需要 STW 的。STW 就是 Stop The World 的意思，在 golang 中就是要停掉所有的 goroutine，專心進行垃圾回收，待垃圾回收結束後再恢復 goroutine。而 STW 時間的長短直接影響了應用的執行，如果時間過長，那將是災難性的。為了縮短 STW 時間，golang 不對優化垃圾回收算法，其中寫屏障（Write Barrier）和輔助GC（Mutator Assist）就是兩種優化垃圾回收的方法。

• 寫屏障（Write Barrier）：上面說到的 STW 的目的是防止 GC 掃描時內存變化引起的混亂，而寫屏障就是讓 goroutine 與 GC 同時運行的手段，雖然不能完全消除 STW，但是可以大大減少 STW 的時間。寫屏障在 GC 的特定時間開啟，開啟後指針傳遞時會把指針標記，即本輪不回收，下次 GC 時再確定。
• 輔助 GC（Mutator Assist）：為了防止內存分配過快，在 GC 執行過程中，GC 過程中 mutator 線程會併發運行，而 mutator assist 機制會協助 GC 做一部分的工作。

垃圾回收觸發機制

1. 內存分配量達到閾值：每次內存分配都會檢查當前內存分配量是否達到閾值，如果達到閾值則觸發 GC。閾值 = 上次 GC 內存分配量 * 內存增長率，內存增長率由環境變量 GOGC 控制，默認為 100，即每當內存擴大一倍時啟動 GC。
2. 定時觸發 GC：默認情況下，2分鐘觸發一次 GC，該間隔由 src/runtime/proc.go 中的 forcegcperiod 聲明。
3. 手動觸發 GC：在代碼中，可通過使用 runtime.GC() 手動觸發 GC。

GC 優化建議

由上文可知，GC 性能是與對象數量有關的，對象越多 GC 性能越差，對程序的影響也越大。所以在開發中要儘量減少對象分配個數，採用對象複用、將小對象組合成大對象或採用小數據類型（如使用 int8 代替 int）等。

結語

一門編程語言的垃圾回收機制會直接影響使用其開發應用的性能。在日常開發工作中也因注意到其作用，有助於開發出高性能的應用，這也是 GC 常常在面試中被問到的原因。同時，瞭解 GC 對了解內存管理也很有幫助。