GC 不回收什么？

为了解释垃圾回收是什么，我们先来说说 GC 不回收什么。
在我们程序中会使用到两种内存，分别为堆（Heap）和栈（Stack），而 GC 不负责回收栈中的内存。

那么这是为什么呢？

主要原因是栈是一块专用内存，专门为了函数执行而准备的，存储着函数中的局部变量以及调用栈。

除此以外，栈中的数据都有一个特点——简单。比如局部变量就不能被函数外访问，所以这块内存用完就可以直接释放。正是因为这个特点，栈中的数据可以通过简单的编译器指令自动清理，也就不需要通过 GC 来回收了。

什么是垃圾回收

“垃圾”的定义

首先，我们要给个“垃圾”的定义，才能进行回收吧。书中给出的定义：

把分配到堆中那些不能通过程序引用的对象称为非活动对象，也就是死掉的对象，我们称为“垃圾”

GC的定义

垃圾回收（Garbage Collection，GC），顾名思义就是释放垃圾占用的空间，防止内存泄露。
有效的使用可以使用的内存，对内存堆中已经死亡的或者长时间没有使用的对象进行清除和回收。

因为我们期望让内存管理变得自动（只管用内存，不管内存的回收），我们就必须做两件事情：

  1. 找到内存空间里的垃圾
  2. 回收垃圾，让程序员能再次利用这部分空间 [1] 只要满足这两项功能的程序，就是GC，不论它是在JVM中，还是在Ruby的VM中。

但这只是两个需求，并没有说明GC应该何时找垃圾，何时回收垃圾等等更具体的问题，各类GC算法就是在这些更具体问题的处理方式上施展手脚。

什么是根对象（roots）

根对象在垃圾回收的术语中又叫做根集合，它是垃圾回收器在标记过程时最先检查的对象，包括：

  1. 全局变量：程序在编译期就能确定的那些存在于程序整个生命周期的变量。
  2. 执行栈：每个 goroutine 都包含自己的执行栈，这些执行栈上包含栈上的变量及指向分配的堆内存区块的指针。
  3. 寄存器：寄存器的值可能表示一个指针，参与计算的这些指针可能指向某些赋值器分配的堆内存区块。

    常见的垃圾回收方法

    目前比较常见的垃圾回收算法有三种

引用计数

引用计数：对每个对象维护一个引用计数，当引用该对象的对象被销毁时，引用计数减1，当引用计数器为0是回收该对象。

c++ 需要用户手动释放内存，容易导致内存泄露等问题，后来引入了智能指针使用的就是引用计数进行垃圾回收。对每一个对象都引入一个计数器，每引用一次计数器+1，解除引用-1，当计数器为0时即表示该对象已经不需要访问了可以回收。

  • 优点：对象可以很快的被回收，不会出现内存耗尽或达到某个阀值时才回收。
  • 缺点：不能很好的处理循环引用，而且实时维护引用计数，有也一定的代价。
  • 代表语言：Python、PHP、Swift、JavaScript(V8引擎)

标记-清扫

从根变量开始遍历所有引用的对象，引用的对象标记为”被引用”，没有被标记的进行回收。

  1. 触发 GC：主动，定时，被动，阈值等
  2. STW，从根对象开始扫描，标记活跃对象
  3. 清除非活跃对象
  4. 取消 STW
  • 优点：解决了引用计数的缺点。
  • 缺点：需要STW，即要暂时停掉程序运行。

  • 代表语言：Golang(其采用三色标记法)

    分代收集

    JVM垃圾回收时常用的GC算法。
    按照对象生命周期长短划分不同的代空间，生命周期长的放入老年代，而短的放入新生代，不同代有不能的回收算法和回收频率。

  • 优点：回收性能好

  • 缺点：算法复杂
  • 代表语言： JAVA

这些GC算法共同解决的问题

GC的定义只给出了需求，三种算法都为实现这个需求，那么它们总会遇到共同要解决的问题吧？ 我尝试总结出：

  • 如何分辨出什么是垃圾？
  • 如何、何时搜索垃圾？

  • 如何、何时清除垃圾？

    如何评价GC算法？

    如果没有评价标准，我们当然无法评估这些GC算法的性能。作者给出了4个标准：

  • 吞吐量: 单位时间内的处理能力

  • 最大暂停时间：GC执行过程中，应用暂停的时长。 较大的吞吐量和较短的最大暂停时间不可兼得
  • 堆的使用效率：就是堆空间的利用率。 可用的堆越大，GC运行越快；相反，越想有效地利用有限的堆，GC花费的时间就越长。
  • 访问的局部性：把具有引用关系的对象安排在堆中较近的位置，就能提高在缓存中读取到想利用的数据的概率。

Go GC

Golang中的垃圾回收主要应用三色标记法，GC过程和其他用户goroutine可并发运行，但需要一定时间的STW(stop the world)，STW的过程中，CPU不执行用户代码，全部用于垃圾回收，这个过程的影响很大，Golang进行了多次的迭代优化来解决这个问题。

我们先看看历代Golang版本的垃圾回收机制吧

  • G0 V1.3 之前的标记-清除(mark and sweep)算法,缺点是STW时间过长
  • Go V1.5 三色并发标记法 (有且仅有栈空间清扫时需要STW来重新标记,但堆空间清扫不需要STW)
  • Go V1.8 引入混合写屏障机制(几乎不需要STW)

Golang的GC有分栈空间清扫与堆空间清扫。为什么GC还需要针对栈,栈难道不是OS直接去管理的吗?
每个调度器的结构体有两个G：

  1. 一个是crug，代表结构体M当前绑定的结构体G。

  2. 一个是g0(G零)，是带有调度栈的goroutine，这是一个比较特殊的goroutine。

    注意： 普通的goroutine的栈是在堆上分配的可增长的栈。 而g0的栈是M对应的线程的栈。 所有调度相关的代码，会先切换到该goroutine栈中再执行。也就是说线程的栈也是用的g实现，而不是使用os的。

简单来说:g0所使用的栈就是Go程序进程所创建的M线程的线程栈，与相关的task_struck相关联而未与M绑定(不是running状态的goroutine)的goroutine的协程栈也是存放在进程的堆空间中的！

因此这里就会有很好玩的现象,goroutine的栈是可以扩容与缩容的。
且栈收缩不是在函数调用时发生的，是由Golang垃圾回收器在垃圾回收时主动触发的。

标记-清扫GC算法

首先会从一些固定的root节点开始，对于Go语言来说就是全局指针和 goroutine 栈上的指针，根据这些root节点进行递归标记。当标记完成后，所有被标记的对象就都是存活的，其余的对象即是可以清扫的。


垃圾回收 - 图1

Golang三色标记+混合写屏障GC模式全分析

原文连接：https://www.kancloud.cn/aceld/golang/1958308

参考：