golang 系列：啥是垃圾回收？

摘要

golang 的三色标记法虽然没有 java 的内存回收机制成熟，但它细分了回收过程，通过写屏障技术，能和用户程序并发进行，这也一定程度的提高了内存回收速度。

一、为什么要有垃圾回收

我们都知道，当程序启动的时候，操作系统是会分配出栈区和堆区的，作为动态内存分配使用。

在栈区里分配的内存是可以自动管理的，一旦某个变量的作用域结束，就可以被自动回收了。

但是堆区就不是这样的了，堆区是属于程序员自己管理的区域，即使在某个作用域结束了，后续也能使用到该变量。

为此，程序员需要时刻关注内存的管理，否则将出现很多问题。例如内存一直在增长没有释放，则会出现内存溢出；内存释放后还继续访问，则会出现非法访问等。

因此，对内存的管理事关重要。然而，人为的管理内存始终存在隐患，谁也不能保证自己写的代码没有一点问题。

所以垃圾回收机制出现了，它是编程语言的设计者在程序运行时通过一定的策略，让闲置的内存被自动回收。

这也能让开发者更加专注于业务逻辑，减少额外的负担。

二、垃圾回收有哪些常用策略

1) 引用计数法

此算法为对象维护了一个计数值，当对象被引用时，计数值 +1，当对象的引用被释放时计数值 -1，直到计数值为 0 ，表示没有其他对象在使用它了，此时就可以进行回收动作了。

引用计数法算法简单，易于实现。但频繁的更新引用计数，也带来了一定的开销。而且对于循环引用的情况，计数值是归不了 0 的，此时就做不了回收了。

2) 标记-清除法

标记清除法是对对象定时的进行标记，分为正在被使用的和没有被使用这两类。

当标记完后就可以对没有被使用的这一类对象进行内存回收了。

标记清除法有个 Root 根对象，遍历搜索都是从 Root 根对象开始标记的。由于不存在对象跟 Root 循环引用的情况，所以总是能搜索到所有能达到的对象，依次标记。

如果循环对象没有被标记到，就表示没有被引用，就可以回收了，循环引用问题就解决了。

由于程序是动态在运行的，随时有可能会改变对象的引用指向。因此，在进行标记动作的时候需要 Stop the world(STW)，也就是停止其他任务的执行，使得标记过程没有被打乱。

这也就意味着程序会短暂的停滞，对于响应要求高的程序而言，无疑是不能接受的。

三、golang 的垃圾回收

golang 采用了叫三色标记法的回收机制，它是第二种算法的变种，通过将标记清除过程细分了多个阶段，并采用了写屏障去感知引用的修改，使得垃圾回收动作能和用户程序并发的进行，大大缩短了 Stop The World 的同时，也保证了对象不被误清除。

三色标记法将对象分成了三种：

• 白色对象：未被使用的对象；
• 灰色对象：当前对象有引用对象，但是还没有对引用对象继续扫描过；
• 黑色对象，对上面提到的灰色对象的引用对象已经全部扫描过了，下次不用再扫描它的引用对象了。

当垃圾回收开始时，Go 会把根对象标记为灰色，其他对象标记为白色，然后从根对象遍历搜索，按照上面的定义去不断的对灰色对象进行扫描标记。

（这里的根对象可以理解为指向堆内存区块的指针）

当没有灰色对象时，表示标记完成，然后就可以开始清除白色对象了。

三色标记法在正式标记前会进行 Stop The World，以便启动写屏障。当启动好后，就会停止 Stop The World。然后开始标记对象，在这标记过程中，是可以和用户程序一起并发执行的。

当所有的对象都标记完，也就是没有灰色对象可遍历搜索时，会再一次的 STW，做第二次的扫描。

利用之前启动的写屏障，将标记期间有过引用修改的对象重新标记为灰色，保证对象不会被误清。

当第二次扫描结束时，就可以开始真正的清除动作了，而且也是可以跟用户程序一起并发执行的。

后面用户程序即使再 new 了对象，分配了内存，也不会进行标记动作了，相当于这些新的对象是下次 GC 要处理的了。

而对于原先被标记为白色的对象，也就是再也没有被使用的对象，程序是引用不到的了。此时就可以大胆并发清除，不需要再次 Stop the world 了。

触发时机

Go 允许手动触发垃圾回收，但一般开发者比较少介入内存的管理，更多是让运行时 runtime 根据下面 2 种情况来进行垃圾回收：

• 内存分配到一定大小时触发
• 一定时间内没有触发过垃圾回收，则会开始进行 GC，一般这个时间是 2 分钟

结尾

虽然有 GC 帮我们做内存的管理，但资源不是无限的，一旦内存上涨，那我们就得学会查找问题了。

当内存一直没有释放时，我们可以使用 pprof 这些性能分析工具，帮助我们去做内存分析。

另外，在写代码时我们也可以从下面几个点进行内存的优化，让我们的程序更加健壮。

• string 和 []byte 可以通过 unsafe 或 reflect 包进行强制转换，以减少内存拷贝。
• 如果频繁的临时对象需要创建，则可以使用 sync.Pool 来重用对象。减少垃圾回收。
• 如果能提前知道 slice 的大小，尽量预分配好它的容量，避免不断的 append 中，不断的扩容。

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