最常见的垃圾回收算法有标记清除(Mark-Sweep) 和引用计数(Reference Count),Go 语言采用的是标记清除算法。并在此基础上使用了三色标记法和写屏障技术,提高了效率。

标记清除收集器是跟踪式垃圾收集器,其执行过程可以分成标记(Mark)和清除(Sweep)两个阶段:

  • 标记阶段 — 从根对象出发查找并标记堆中所有存活的对象;

  • 清除阶段 — 遍历堆中的全部对象,回收未被标记的垃圾对象并将回收的内存加入空闲链表。

标记清除算法的一大问题是在标记期间,需要暂停程序(Stop the world,STW),标记结束之后,用户程序才可以继续执行。为了能够异步执行,减少 STW 的时间,Go 语言采用了三色标记法。

三色标记算法将程序中的对象分成白色、黑色和灰色三类。

  • 白色:不确定对象。

  • 灰色:存活对象,子对象待处理。

  • 黑色:存活对象。

标记开始时,所有对象加入白色集合(这一步需 STW )。首先将根对象标记为灰色,加入灰色集合,垃圾搜集器取出一个灰色对象,将其标记为黑色,并将其指向的对象标记为灰色,加入灰色集合。重复这个过程,直到灰色集合为空为止,标记阶段结束。那么白色对象即可需要清理的对象,而黑色对象均为根可达的对象,不能被清理。

三色标记法因为多了一个白色的状态来存放不确定对象,所以后续的标记阶段可以并发地执行。当然并发执行的代价是可能会造成一些遗漏,因为那些早先被标记为黑色的对象可能目前已经是不可达的了。所以三色标记法是一个 false negative(假阴性)的算法。

三色标记法并发执行仍存在一个问题,即在 GC 过程中,对象指针发生了改变。比如下面的例子:

A (黑) -> B (灰) -> C (白) -> D (白)

正常情况下,D 对象最终会被标记为黑色,不应被回收。但在标记和用户程序并发执行过程中,用户程序删除了 C 对 D 的引用,而 A 获得了 D 的引用。标记继续进行,D 就没有机会被标记为黑色了(A 已经处理过,这一轮不会再被处理)。

A (黑) -> B (灰) -> C (白) 

 D (白)

为了解决这个问题,Go 使用了内存屏障技术,它是在用户程序读取对象、创建新对象以及更新对象指针时执行的一段代码,类似于一个钩子。垃圾收集器使用了写屏障(Write Barrier)技术,当对象新增或更新时,会将其着色为灰色。这样即使与用户程序并发执行,对象的引用发生改变时,垃圾收集器也能正确处理了。

一次完整的 GC 分为四个阶段:

  • 1)标记准备(Mark Setup,需 STW),打开写屏障(Write Barrier)

  • 2)使用三色标记法标记(Marking, 并发)

  • 3)标记结束(Mark Termination,需 STW),关闭写屏障。

  • 4)清理(Sweeping, 并发)


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