golang 垃圾回收该如何分析

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概述

现代编程语言一般都有垃圾回收功能。这个能极大的减轻程序员的负担,并且减少大部分场景的问题。要知道,c 语言里面最常见的就是踩内存,内存泄漏,野指针等问题。golang 作为一个新新语言,自然垃圾回收功能少不了的。当前 golang 的垃圾回收基于的理论是三色标记法,并且通过合理的使用内存屏障技术,把垃圾回收的 stw 几乎消灭(旁白:这个正确的理解,并不是没有 stw,只是非常非常短了)。

 GC RC

首先,内存稍高级的管理有两个方式,了解两个名词:

GC:垃圾回收管理内存的方式 RC:引用计数管理内存的方式

由于 c 语言自身设计的问题,无法实现 GC,所以 c 程序怎么管理内存呢?引用计数就是最常用的稍高级的管理方式。引用计数怎么用?常用姿势如下:

使用前,为了保护对象不被销毁,计数 + 1 使用完后,计数 -1,计数减到 0 之后,就可以安全销毁了

obj_ref(obj);{ do_something ; }obj_unref(obj);

 

引用计数 RC 的使用看上面非常简单,但其实是非常有讲究的,这里不深入了。此处还是由 golang 的垃圾回收展开。

golang 的垃圾回收我们经常听到三色标记法,三色指的是白色,灰色,黑色,分别表示三种状态,至于三色标记法的理论此处不表,我们从简单的理解切入。

  垃圾回收的由来

首先,我们思考下一个不需要思考的问题:垃圾回收是做什么的?golang 为什么需要垃圾回收?

c 程序跑起来是需要内存的,栈内存由编译器来管理,堆内存由程序员来管理,这个就是 c 程序出内存问题的源头,程序员是人,是人就可能出错,各种编程人员的素质也是参差不齐,实际场景也是各种复杂的情况交织。

所以,我们回归本源问题,我们本质上只是想要一个内存而已,管理它只是迫不得已。内存用完了,程序员最好也不管。程序员只管用,不管回收。这个就会垃圾回收的由来。

  逃逸分析的由来

我们再进一步,c 程序还需要程序员自己决定从栈上分配内存,还是堆上分配内存?

那么这个事情是程序员必须要做的吗?并不是,本质上程序只是需要一个对象,决定这个事情也是迫不得已。

golang 解决这个事情,就是对应的”逃逸分析“。逃逸分析解决一个问题,在保证 golang 程序正确性的前提下,在编译阶段决定对象的分配位置,栈上?堆上?

  垃圾回收,怎么实现?

底线:golang 只需要保证一个点,回收的一定是不用的垃圾,那么就不会出功能性问题,回收的慢点一定程度都 ok 的。

  什么样的是垃圾?

怎么保证回收的一定是垃圾?首先看张图:


 

 

先说结论:

图上黄色的就是垃圾,这个从图里一眼就能看出来。没人用它呀,可不就是垃圾嘛   怎么把垃圾找出来?

现在关键的问题是:这个黄色块怎么找出来的?

换个说法:你把在用的找明白,剩下的就是没在用的垃圾了。什么是在用的呢?从所有的根出发,只要是引用覆盖到的,就认为在用。

方法:从根处扫描,把所有的根扫描完,每个根扫描到底。按照之前的三色标记来说,扫描完了的是黑色,正在扫描的是灰色的,没扫描的是白色的。根扫描完了,那么最后只会剩下两种颜色的,黑色,白色。白色就是没用的垃圾,这种清理掉就没事。

问两个问题:

那么根是什么?回收的内存是哪里的内存?

答案:

栈是根,是扫描的起点,还有一些全局变量也是根,是起点所谓垃圾只对于堆上内存来说,栈上内存是编译器管理的,堆上内存是业务分配,垃圾回收器回收

下面说另一个关键点:怎么扫描是安全的?

最简单的思路,我让世界都停止下来(stw),谁都别动,等我把垃圾找出来,你再运行你的程序吧。这就安全了吧。

还真别说,golang 1.0 就是这么干的。这种实现非常简单也易于理解,但是无法适用于生产环境,你一停整个程序,就要暂停业务,一停就几秒,所以前期的 golang 根本就不能用呀。

所以呀,为了能够在线上生产场景使用,而不仅仅是个玩具,那么必须要做到垃圾回收不影响业务代码的运行才行。也就是并发喽(旁白:不并发也行,只要你能想到好办法,能做到:能回收垃圾,又不影响业务)?简单的并发就有要考虑的问题了,先说不安全的例子(扫描和业务并发):

初始场景:

业务和扫描并发:

最后结果:

这白色的就是要被回收的,但我们一看就知道,有一个白色的被引用了,回收就野指针了,被回收掉就垮掉了。

  内存屏障

怎么解决这个问题?接下来就是内存屏障出场了。golang 内存屏障也有一个演进过程:

插入写屏障混合写屏障(插入写屏障 + 删除写屏障)

先说屏障的本质:

内存屏障只是对应一段特殊的代码内存屏障这段代码在编译期间生成内存屏障本质上在运行期间拦截内存写操作,相当于一个 hook 调用

屏障的作用:

通过 hook 内存的写操作时机,阻止一些事情的发生,或者说做好一些标记工作,从而保证垃圾回收的正确性

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正文完
 
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