1. 什么是垃圾回收（是一种自动内存管理机制，自动释放回收不使用的内存对象，防止内存泄露）

垃圾回收（英语：Garbage Collection，缩写为GC），在计算机科学中是一种自动的存储器管理机制。当一个计算机上的动态存储器不再需要时，就应该予以释放，以让出存储器，这种存储器资源管理，称为垃圾回收。

通常，垃圾回收器的执行过程被划分为两个半独立的组件：

  • 赋值器：指代用户态的代码，即指写的程序代码，在程序的执行过程中，可能会改变对象的引用关系，或者创建新的引用。

  • 回收器：垃圾回收器负责执行那些程序中不再被引用得对象

2. 根对象是什么

根对象又叫根集合，它是垃圾回收器在标记过程最先检查的对象，包括：

  • 全局变量：程序在编译期就能确定的那些存在于程序整个生命周期的变量。
  • 执行栈：每个 goroutine 都包含自己的执行栈，这些执行栈上包含栈上的变量及指向分配的堆内存区块的指针。
  • 寄存器：寄存器的值可能表示一个指针，参与计算的这些指针可能指向某些赋值器分配的堆内存区块。

3. GC两种形式

  • 追踪式GC

    从根对象出发，根据对象之间的引用信息，一步步推进直到扫描完毕整个堆并确定需要保留的对象，从而回收所有可回收的对象。Go、 Java、V8 对 JavaScript 的实现等均为追踪式 GC。

  • 引用计数式GC

    每个对象自身包含一个被引用的计数器，当计数器归零时自动得到回收。因为此方法缺陷较多，在追求高性能时通常不被应用。Python、Objective-C 等均为引用计数式 GC。

4. GC实现方式

4.1 追踪式：
  • 标记清扫：从根对象出发，将确定存活的对象进行标记，并清扫可以回收的对象。
  • 标记整理：为了解决内存碎片问题而提出，在标记过程中，将对象尽可能整理到一块连续的内存上。
  • 增量式：将标记与清扫的过程分批执行，每次执行很小的部分，从而增量的推进垃圾回收，达到近似实时、几乎无停顿的目的。
  • 增量整理：在增量式的基础上，增加对对象的整理过程。
  • 分代式：将对象根据存活时间的长短进行分类，存活时间小于某个值的为年轻代，存活时间大于某个值的为老年代，永远不会参与回收的对象为永久代。并根据分代假设（如果一个对象存活时间不长则倾向于被回收，如果一个对象已经存活很长时间则倾向于存活更长时间）对对象进行回收。
4.2 引用计数式
  • 引用计数：根据对象自身的引用计数来回收，当引用计数归零时立即回收。

5. GC的历史及演进

Go v1.3之前标记-清除法（mark and sweep）

GO v1.5之后三色标记法

GO v1.5-v1.7三色标记法+开启写屏障

Go v1.8三色标记法+结合写屏障和删除屏障的混合写屏障法

6. 标记-清除法

标记清除法分为两个步骤：

  • 标记：从根对象出发，递归遍历，将被引用的对象打上标记；会先STW（STW，Stop The World），暂停整个程序的全部运行线程。
  • 清除：回收未打标记的对象，即回收内存资源，然后恢复运行线程。

通过STW保证GC期间标记对象的状态不能变化，整个程序都要暂停掉，在外部看来程序就会卡顿。

如下图所示，内存空间中包含多个对象，我们从根对象出发依次遍历对象的子对象并将从根节点可达的对象都标记成存活状态，即 A、C 和 D 三个对象，剩余的 B、E 和 F 三个对象因为从根节点不可达，所以会被当做垃圾：

标记阶段结束后会进入清除阶段，在该阶段中收集器会依次遍历堆中的所有对象，释放其中没有被标记的 B、E 和 F 三个对象并将新的空闲内存空间以链表的结构串联起来，方便内存分配器的使用。

7. 三色标记

为了解决原始标记清除算法带来的长时间 STW，多数现代的追踪式垃圾收集器都会实现三色标记算法的变种以缩短 STW 的时间。三色标记算法将程序中的对象分成白色、黑色和灰色三类：

  • 白色对象 — 潜在的垃圾，其内存可能会被垃圾收集器回收；
  • 灰色对象 — 活跃的对象，因为存在指向白色对象的外部指针，垃圾收集器会扫描这些对象的子对象；
  • 黑色对象 — 活跃的对象，包括不存在任何引用外部指针的对象以及从根对象可达的对象；

三色标记法工作原理：

  1. 初始状态所有对象都是白色。
  2. 从root根出发扫描所有根对象，将被它引用的对象标记为灰色。
  3. 分析灰色对象是否引用了其它对象。如果没有引用其它对象则将该灰色对象标记为黑色；如果有引用则将它变为黑色的同时将它引用的对象也变为灰色。
  4. 重复步骤3，直到灰色对象队列为空。此时白色对象即为垃圾对象，进行回收。

在完成三色标记后，可能用户程序在标记执行的过程中修改对象的指针，因为三色标记清除算法不支持并发和增量执行，所有需要STW。如果用户程序建立从A对象到D对象的引用，但程序中已经不存在灰色对象了，所有D对象会被垃圾收集器错误地回收。本来不应该被回收的对象被回收了，在内存管理中是非常严重的错误，这种错误称为悬挂指针，即指针没有指向特定类型的合法对象，影响内存安全性，想要并发或者增量地标记对象需要使用屏障技术。

8. 屏障技术

内存屏障技术是一种屏障指令，它可以让 CPU 或者编译器在执行内存相关操作时遵循特定的约束，目前多数的现代处理器都会乱序执行指令以最大化性能，但是该技术能够保证内存操作的顺序性，在内存屏障前执行的操作一定会先于内存屏障后执行的操作。

想要在并发或者增量的标记算法中保证正确性，我们需要达成以下两种三色不变性（Tri-color invariant）中的一种：

  • 强三色不变性 — 黑色对象不会指向白色对象，只会指向灰色对象或者黑色对象；
  • 弱三色不变性 — 黑色对象指向的白色对象必须包含一条从灰色对象经由多个白色对象的可达路径

上图分别展示了遵循强三色不变性和弱三色不变性的堆内存，遵循上述两个不变性中的任意一个，我们都能保证垃圾收集算法的正确性，而屏障技术就是在并发或者增量标记过程中保证三色不变性的重要技术。

垃圾收集中的屏障技术更像是一个钩子方法，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，根据操作类型的不同，我们可以将它们分成读屏障（Read barrier）和写屏障（Write barrier）两种，因为读屏障需要在读操作中加入代码片段，对用户程序的性能影响很大，所以编程语言往往都会采用写屏障保证三色不变性。

8.1 插入写屏障

假设我们在应用程序中使用插入写屏障，在一个垃圾收集器和用户程序交替运行的场景中会出现如上图所示的标记过程：

  1. 垃圾收集器将根对象指向 A 对象标记成黑色并将 A 对象指向的对象 B 标记成灰色；
  2. 用户程序修改 A 对象的指针，将原本指向 B 对象的指针指向 C 对象，这时触发写屏障将 C 对象标记成灰色；
  3. 垃圾收集器依次遍历程序中的其他灰色对象，将它们分别标记成黑色；

插入写屏障是一种相对保守的屏障技术，它会将有存活可能的对象都标记成灰色以满足强三色不变性。在如上所示的垃圾收集过程中，实际上不再存活的 B 对象最后没有被回收；而如果我们在第二和第三步之间将指向 C 对象的指针改回指向 B，垃圾收集器仍然认为 C 对象是存活的，这些被错误标记的垃圾对象只有在下一个循环才会被回收。

插入式写屏障虽然实现非常简单并且也能保证强三色不变性，但是它也有明显的缺点。因为栈上的对象在垃圾收集中也会被认为是根对象，所以为了保证内存的安全，必须为栈上的对象增加写屏障或者在标记阶段完成重新对栈上的对象进行扫描，这两种方法各有各的缺点，前者会大幅度增加写入指针的额外开销，后者重新扫描栈对象时需要暂停程序，垃圾收集算法的设计者需要在这两者之间做出权衡。

8.2 删除写屏障

假设我们在应用程序中使用删除写屏障，在一个垃圾收集器和用户程序交替运行的场景中会出现如上图所示的标记过程：

  1. 垃圾收集器将根对象指向 A 对象标记成黑色并将 A 对象指向的对象 B 标记成灰色；
  2. 用户程序将 A 对象原本指向 B 的指针指向 C，触发删除写屏障，但是因为 B 对象已经是灰色的，所以不做改变；
  3. 用户程序将 B 对象原本指向 C 的指针删除，触发删除写屏障，白色的 C 对象被涂成灰色；
  4. 垃圾收集器依次遍历程序中的其他灰色对象，将它们分别标记成黑色；

上述过程中的第三步触发了删除写屏障的着色，因为用户程序删除了 B 指向 C 对象的指针，所以 C 和 D 两个对象会分别违反强三色不变性和弱三色不变性：

  • 强三色不变性 — 黑色的 A 对象直接指向白色的 C 对象；
  • 弱三色不变性 — 垃圾收集器无法从某个灰色对象出发，经过几个连续的白色对象访问白色的 C 和 D 两个对象；

删除写屏障通过对 C 对象的着色，保证了 C 对象和下游的 D 对象能够在这一次垃圾收集的循环中存活，避免发生悬挂指针以保证用户程序的正确性。

9. 混合写屏障

在 Go 语言 v1.7 版本之前，运行时会使用插入写屏障保证强三色不变性，但是运行时并没有在所有的垃圾收集根对象上开启插入写屏障。因为应用程序可能包含成百上千的 Goroutine，而垃圾收集的根对象一般包括全局变量和栈对象，如果运行时需要在几百个 Goroutine 的栈上都开启写屏障，会带来巨大的额外开销，所以 Go 团队在实现上选择了在标记阶段完成时暂停程序、将所有栈对象标记为灰色并重新扫描，在活跃 Goroutine 非常多的程序中，重新扫描的过程需要占用 10 ~ 100ms 的时间。

Go 语言在 v1.8 组合插入写屏障和删除写屏障构成了混合写屏障，该写屏障会将被覆盖的对象标记成灰色并在当前栈没有扫描时将新对象也标记成灰色：为了移除栈的重扫描过程，除了引入混合写屏障之外，在垃圾收集的标记阶段，我们还需要将创建的所有新对象都标记成黑色，防止新分配的栈内存和堆内存中的对象被错误地回收，因为栈内存在标记阶段最终都会变为黑色，所以不再需要重新扫描栈空间。

[参考]

  • https://juejin.cn/post/6844904039763853320

  • https://juejin.cn/post/6844903917650722829

  • https://draveness.me/golang/docs/part3-runtime/ch07-memory/golang-garbage-collector/