什么是 GC

垃圾回收（Garbage Collection，GC）是一种自动内存管理机制。

现代高级编程语言管理内存有两种方式：

• 手动：C/C++，Rust等，需要主动申请或者释放内存
• 自动：Java，Golang等，有内存分配器和垃圾收集器自动分配和回收内存

程序中会使用两种内存：

• 堆内存：程序共享的内存，由 GC 进行回收
• 栈内存：线程专用的内存，存储函数的参数值、局部变量等，由操作系统自动分配释放

Go 的垃圾回收

GC 相关术语

• STW：全称 stop the word，GC 期间某个阶段会停止所有的赋值器，中断程序逻辑，以确定引用关系。
• root 对象：根对象是指赋值器不需要通过其他对象就可以直接访问到的对象

GC V1.3

1.3 版本 Go 使用标记-清除作为垃圾回收算法：

1. 开启STW，停止程序的运行
2. 从根节点遍历，标记找出的所有可达对象
3. 清理未标记的对象
4. 继续运行程序

重复循环上述 1-4 步，直到 process 程序生命周期结束。标记清除法的最大弊端就是在整个GC期间需要STW，将整个程序暂停。因为如果不进行STW的话，会出现已经被标记的对象A，引用了新的未被标记的对象B，但由于对象A已经标记过了，不会再重新扫描A对B的可达性，从而将B对象当做垃圾回收掉。

GC V1.5

1.5 版本使用标记-清除算法，结合三色标记，插入写屏障：

1. 创建白、灰、黑三个集合
2. 将所有对象先放入白色集合中
3. 遍历所有 root 对象，把遍历到的对象从白色集合放入灰色集合（这里放入灰色集合的都是根节点直接可达的对象）
4. 遍历灰色集合，将灰色对象直接可达的对象从白色集合放入灰色集合，自身标记为黑色
5. 重复第四步，直至灰色集合中没有任何对象
6. 回收白色集合内的所有对象

对于上述的算法来讲,仍然需要依赖STW的。因为如果不暂停程序, 程序的逻辑改变对象引用关系, 这种动作如果在标记阶段做了修改，会影响标记结果的正确性。

在三色标记法过程中对象丢失需要同时满足两个条件：

• 条件一：白色对象被黑色对象引用
• 条件二：灰色对象和白色对象之间的可达关系遭到破坏

Go 团队提出两个解决方案

• 强三色不变式：不允许黑色对象引用白色对象，破坏条件一
• 弱三色不变式：黑色对象可以引用白色对象，但是白色对象的上游必须存在灰色对象，破坏条件二

Go 团队基于上述不变式提出两种实现机制：

• 插入写屏障（满足强三色不变式）
  • 规则：当一个对象引用另一个对象时，将另一个对象标记为灰色
  • 劣势：无法管理栈操作，需要 STW 重新扫描栈
• 删除写屏障（满足弱三色不变式）
  • 规则：在删除引用时，如果被删除引用的对象自身为灰色或者白色，那么会标记为灰色
  • 劣势：冗余扫描成本高，回收精度低

GC V1.8

1.8 版本使用标记-清除算法，结合三色标记法和混合写屏障

1. GC 开始将栈上的所有可达对象均标记为黑色
2. GC 期间，任何在栈上创建的新对象，均为黑色
3. 堆上被删除对象标记为灰色
4. 堆上被添加的对象标记为灰色

GC 的触发时间

• 主动触发：调用 runtime.GC() 方法
• 被动触发：
  • 定时触发，该触发条件由 runtime.forcegcperiod 变量控制，默认为 2 分 钟。当超过两分钟没有产生任何 GC 时，触发 GC
  • 根据内存分配阈值触发，该触发条件由环境变量 GOGC 控制，默认值为100（100%），当前堆内存占用是上次 GC 结束后占用内存的 2 倍时，触发 GC

GC 调优

• 控制内存分配的速度，限制Goroutine的数量，提高赋值器mutator的CPU利用率(降低GC的CPU利用率)
• 少量使用+连接string
• slice提前分配足够的内存来降低扩容带来的拷贝
• 避免map key对象过多，导致扫描时间增加
• 变量复用，减少对象分配，例如使用sync.Pool来复用需要频繁创建临时对象，使用全局变量
• 增大GOGC的值，降低GC的运行频率