golang 垃圾回收（一）概述 2020年6月3日

• 概述
• GC & RC
  • 垃圾回收的由来
  • 逃逸分析的由来
• 垃圾回收，怎么实现？
  • 什么样的是垃圾？
  • 怎么把垃圾找出来？
  • 内存屏障

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，了解两个名次：

1. GC：垃圾回收管理内存的方式
2. 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：

1. 使用前，为了保护对象不被销毁，计数 +1
2. 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：

image.png

先说结论：

1. 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？

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：

1. 那么根是什么？
2. 回收的内存是哪里的内存？

答案：

1. 栈是根，是扫描的起点，还有一些全局变量也是根，是起点
2. 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？

1. 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：

image.png

业务和扫描并发：

image.png

最后结果：

image.png

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：

1. 插入写屏障
2. 混合写屏障（插入写屏障 + 删除写屏障）

先说屏障的本质：

1. 内存屏障只是对应一段特殊的代码
2. 内存屏障这段代码在编译期间生成
3. 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：

1. 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

此篇概述，下一篇详述插入写屏障。

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