Go 什么时候会触发 GC？

大家好，我是煎鱼。

Go 语言作为一门新语言，在早期经常遭到唾弃的就是在垃圾回收(下称：GC)机制中 STW(Stop-The-World)的时间过长。

那么这个时候，我们又会好奇一点，作为 STW 的起始，Go 语言中什么时候才会触发 GC 呢?

今天就由煎鱼带大家一起来学习研讨一轮。

什么是 GC

在计算机科学中，垃圾回收(GC)是一种自动管理内存的机制，垃圾回收器会去尝试回收程序不再使用的对象及其占用的内存。

最早 John McCarthy 在 1959 年左右发明了垃圾回收，以简化 Lisp 中的手动内存管理的机制(来自 @wikipedia)。

为什么要 GC

手动管理内存挺麻烦，管错或者管漏内存也很糟糕，将会直接导致程序不稳定(持续泄露)甚至直接崩溃。

GC 触发场景

GC 触发的场景主要分为两大类，分别是：

  • 系统触发：运行时自行根据内置的条件，检查、发现到，则进行 GC 处理，维护整个应用程序的可用性。
  • 手动触发：开发者在业务代码中自行调用 runtime.GC 方法来触发 GC 行为。

系统触发

在系统触发的场景中，Go 源码的 src/runtime/mgc.go 文件，明确标识了 GC 系统触发的三种场景，分别如下：

  1. const ( 
  2.  gcTriggerHeap gcTriggerKind = iota 
  3.  gcTriggerTime 
  4.  gcTriggerCycle 
  5. ) 
  • gcTriggerHeap：当所分配的堆大小达到阈值(由控制器计算的触发堆的大小)时，将会触发。
  • gcTriggerTime：当距离上一个 GC 周期的时间超过一定时间时，将会触发。-时间周期以 runtime.forcegcperiod 变量为准，默认 2 分钟。
  • gcTriggerCycle：如果没有开启 GC，则启动 GC。

在手动触发的 runtime.GC 方法中涉及。

手动触发

在手动触发的场景下，Go 语言中仅有 runtime.GC 方法可以触发，也就没什么额外的分类的。

Go 什么时候会触发 GC？

但我们要思考的是，一般我们在什么业务场景中，要涉及到手动干涉 GC，强制触发他呢?

需要手动强制触发的场景极其少见，可能会是在某些业务方法执行完后，因其占用了过多的内存，需要人为释放。又或是 debug 程序所需。

基本流程

在了解到 Go 语言会触发 GC 的场景后，我们进一步看看触发 GC 的流程代码是怎么样的，我们可以借助手动触发的 runtime.GC 方法来作为突破口。

核心代码如下：

  1. func GC() { 
  2.  n := atomic.Load(&work.cycles) 
  3.  gcWaitOnMark(n) 
  4.  
  5.  gcStart(gcTrigger{kind: gcTriggerCycle, n: n + 1}) 
  6.    
  7.  gcWaitOnMark(n + 1) 
  8.  
  9.  for atomic.Load(&work.cycles) == n+1 && sweepone() != ^uintptr(0) { 
  10.   sweep.nbgsweep++ 
  11.   Gosched() 
  12.  } 
  13.    
  14.  for atomic.Load(&work.cycles) == n+1 && atomic.Load(&mheap_.sweepers) != 0 { 
  15.   Gosched() 
  16.  } 
  17.    
  18.  mp := acquirem() 
  19.  cycle := atomic.Load(&work.cycles) 
  20.  if cycle == n+1 || (gcphase == _GCmark && cycle == n+2) { 
  21.   mProf_PostSweep() 
  22.  } 
  23.  releasem(mp) 
  24. } 

在开始新的一轮 GC 周期前，需要调用 gcWaitOnMark 方法上一轮 GC 的标记结束(含扫描终止、标记、或标记终止等)。

开始新的一轮 GC 周期，调用 gcStart 方法触发 GC 行为，开始扫描标记阶段。

需要调用 gcWaitOnMark 方法等待，直到当前 GC 周期的扫描、标记、标记终止完成。

需要调用 sweepone 方法，扫描未扫除的堆跨度，并持续扫除，保证清理完成。在等待扫除完毕前的阻塞时间，会调用 Gosched 让出。

在本轮 GC 已经基本完成后，会调用 mProf_PostSweep 方法。以此记录最后一次标记终止时的堆配置文件快照。

结束，释放 M。

在哪触发

看完 GC 的基本流程后，我们有了一个基本的了解。但可能又有小伙伴有疑惑了?

本文的标题是 “GC 什么时候会触发 GC”，虽然我们前面知道了触发的时机。但是....Go 是哪里实现的触发的机制，似乎在流程中完全没有看到?

监控线程

实质上在 Go 运行时(runtime)初始化时，会启动一个 goroutine，用于处理 GC 机制的相关事项。

代码如下：

  1. func init() { 
  2.  go forcegchelper() 
  3. } 
  4.  
  5. func forcegchelper() { 
  6.  forcegc.g = getg() 
  7.  lockInit(&forcegc.lock, lockRankForcegc) 
  8.  for { 
  9.   lock(&forcegc.lock) 
  10.   if forcegc.idle != 0 { 
  11.    throw("forcegc: phase error") 
  12.   } 
  13.   atomic.Store(&forcegc.idle, 1) 
  14.   goparkunlock(&forcegc.lock, waitReasonForceGCIdle, traceEvGoBlock, 1) 
  15.     // this goroutine is explicitly resumed by sysmon 
  16.   if debug.gctrace > 0 { 
  17.    println("GC forced") 
  18.   } 
  19.  
  20.   gcStart(gcTrigger{kind: gcTriggerTime, now: nanotime()}) 
  21.  } 
  22. } 

在这段程序中，需要特别关注的是在 forcegchelper 方法中，会调用 goparkunlock 方法让该 goroutine 陷入休眠等待状态，以减少不必要的资源开销。

在休眠后，会由 sysmon 这一个系统监控线程来进行监控、唤醒等行为：

  1. func sysmon() { 
  2.  ... 
  3.  for { 
  4.   ... 
  5.   // check if we need to force a GC 
  6.   if t := (gcTrigger{kind: gcTriggerTime, now: now}); t.test() && atomic.Load(&forcegc.idle) != 0 { 
  7.    lock(&forcegc.lock) 
  8.    forcegc.idle = 0 
  9.    var list gList 
  10.    list.push(forcegc.g) 
  11.    injectglist(&list) 
  12.    unlock(&forcegc.lock) 
  13.   } 
  14.   if debug.schedtrace > 0 && lasttrace+int64(debug.schedtrace)*1000000 <= now { 
  15.    lasttrace = now 
  16.    schedtrace(debug.scheddetail > 0) 
  17.   } 
  18.   unlock(&sched.sysmonlock) 
  19.  } 
  20. } 

这段代码核心的行为就是不断地在 for 循环中，对 gcTriggerTime 和 now 变量进行比较，判断是否达到一定的时间(默认为 2 分钟)。

若达到意味着满足条件，会将 forcegc.g 放到全局队列中接受新的一轮调度，再进行对上面 forcegchelper 的唤醒。

堆内存申请

在了解定时触发的机制后，另外一个场景就是分配的堆空间的时候，那么我们要看的地方就非常明确了。

那就是运行时申请堆内存的 mallocgc 方法。核心代码如下：

  1. func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer { 
  2.  shouldhelpgc := false 
  3.  ... 
  4.  if size <= maxSmallSize { 
  5.   if noscan && size < maxTinySize { 
  6.    ... 
  7.    // Allocate a new maxTinySize block. 
  8.    span = c.alloc[tinySpanClass] 
  9.    v := nextFreeFast(span) 
  10.    if v == 0 { 
  11.     v, span, shouldhelpgc = c.nextFree(tinySpanClass) 
  12.    } 
  13.    ... 
  14.    spc := makeSpanClass(sizeclass, noscan) 
  15.    span = c.alloc[spc] 
  16.    v := nextFreeFast(span) 
  17.    if v == 0 { 
  18.     v, span, shouldhelpgc = c.nextFree(spc) 
  19.    } 
  20.    ... 
  21.   } 
  22.  } else { 
  23.   shouldhelpgc = true 
  24.   span = c.allocLarge(size, needzero, noscan) 
  25.   ... 
  26.  } 
  27.  
  28.  if shouldhelpgc { 
  29.   if t := (gcTrigger{kind: gcTriggerHeap}); t.test() { 
  30.    gcStart(t) 
  31.   } 
  32.  } 
  33.  
  34.  return x 
  35. } 

小对象：如果申请小对象时，发现当前内存空间不存在空闲跨度时，将会需要调用 nextFree 方法获取新的可用的对象，可能会触发 GC 行为。

大对象：如果申请大于 32k 以上的大对象时，可能会触发 GC 行为。

总结

在这篇文章中，我们介绍了 Go 语言触发 GC 的两大类场景，并分别基于大类中的细分场景进行了一一说明。

一般来讲，我们对其了解大概就可以了。若小伙伴们对其内部具体实现感兴趣，也可以以文章中的代码具体再打开看。

但需要注意，很有可能 Go 版本一升级，可能又变了，学思想要紧!

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/e2-NXWCS0bd2BPWzdeiS_A