雖然Golang的GC自打一開始，就被人所詬病，但是經(jīng)過這么多年的發(fā)展，Golang的GC已經(jīng)改善了非常多，變得非常優(yōu)秀了。

以下是Golang GC算法的里程碑：

• v1.1 STW
• v1.3 Mark STW, Sweep 并行
• v1.5 三色標(biāo)記法
• v1.8 hybrid write barrier

經(jīng)典的GC算法有三種： 引用計數(shù)(reference counting) 、 標(biāo)記-清掃(mark sweep) 、 復(fù)制收集(Copy and Collection) 。

Golang的GC算法主要是基于 標(biāo)記-清掃(mark and sweep) 算法，并在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn)。因此，在此主要介紹一下 標(biāo)記-清掃(mark and sweep)算法 ，關(guān)于 引用計數(shù)(reference counting) 和 復(fù)制收集(copy and collection) 可自行百度。

標(biāo)記-清掃(Mark And Sweep)算法

此算法主要有兩個主要的步驟：

• 標(biāo)記(Mark phase)
• 清除(Sweep phase)

第一步，找出不可達(dá)的對象，然后做上標(biāo)記。

第二步，回收標(biāo)記好的對象。

操作非常簡單，但是有一點需要額外注意： mark and sweep 算法在執(zhí)行的時候，需要程序暫停！即 stop the world 。

也就是說，這段時間程序會卡在哪兒。故中文翻譯成 卡頓 。

我們來看一下圖解：

開始標(biāo)記，程序暫停。程序和對象的此時關(guān)系是這樣的：

然后開始標(biāo)記，process找出它所有可達(dá)的對象，并做上標(biāo)記。如下圖所示：

標(biāo)記完了之后，然后開始清除未標(biāo)記的對象：

然后 垃圾 清除了，變成了下圖這樣。

最后，停止暫停，讓程序繼續(xù)跑。然后循環(huán)重復(fù)這個過程，直到 process 生命周期結(jié)束。

標(biāo)記-清掃(Mark And Sweep)算法存在什么問題？

標(biāo)記-清掃(Mark And Sweep)算法 這種算法雖然非常的簡單，但是還存在一些問題：

• STW，stop the world；讓程序暫停，程序出現(xiàn)卡頓。
• 標(biāo)記需要掃描整個heap
• 清除數(shù)據(jù)會產(chǎn)生heap碎片

這里面最重要的問題就是：mark-and-sweep 算法會暫停整個整個程序。

Go是如何面對并這個問題的呢？

三色并發(fā)標(biāo)記法

我們先來看看Golang的三色標(biāo)記法的大體流程。

首先：程序創(chuàng)建的對象都標(biāo)記為白色。

gc開始：掃描所有可到達(dá)的對象，標(biāo)記為灰色

從灰色對象中找到其引用對象標(biāo)記為灰色，把灰色對象本身標(biāo)記為黑色

監(jiān)視對象中的內(nèi)存修改，并持續(xù)上一步的操作，直到灰色標(biāo)記的對象不存在

此時，gc回收白色對象。

最后，將所有黑色對象變?yōu)榘咨?，并重?fù)以上所有過程。

好了，大體的流程就是這樣的，讓我們回到剛才的問題：Go是如何解決 標(biāo)記-清除(mark and sweep) 算法中的卡頓(stw，stop the world)問題的呢？

gc和用戶邏輯如何并行操作？

標(biāo)記-清除(mark and sweep)算法的STW(stop the world)操作，就是runtime把所有的線程全部凍結(jié)掉，所有的線程全部凍結(jié)意味著用戶邏輯是暫停的。這樣所有的對象都不會被修改了，這時候去掃描是絕對安全的。

Go如何減短這個過程呢？標(biāo)記-清除(mark and sweep)算法包含兩部分邏輯：標(biāo)記和清除。

我們知道Golang三色標(biāo)記法中最后只剩下的黑白兩種對象，黑色對象是程序恢復(fù)后接著使用的對象，如果不碰觸黑色對象，只清除白色的對象，肯定不會影響程序邏輯。所以： 清除操作和用戶邏輯可以并發(fā)。

標(biāo)記操作和用戶邏輯也是并發(fā)的，用戶邏輯會時常生成對象或者改變對象的引用，那么標(biāo)記和用戶邏輯如何并發(fā)呢？

process新生成對象的時候，GC該如何操作呢？不會亂嗎？

我們看如下圖，在此狀態(tài)下：process程序又新生成了一個對象，我們設(shè)想會變成這樣：

但是這樣顯然是不對的，因為按照三色標(biāo)記法的步驟，這樣新生成的對象A最后會被清除掉，這樣會影響程序邏輯。

Golang為了解決這個問題，引入了 寫屏障 這個機(jī)制。

寫屏障：該屏障之前的寫操作和之后的寫操作相比，先被系統(tǒng)其它組件感知。

通俗的講：就是在gc跑的過程中，可以監(jiān)控對象的內(nèi)存修改，并對對象進(jìn)行重新標(biāo)記。(實際上也是超短暫的stw，然后對對象進(jìn)行標(biāo)記)

在上述情況中， 新生成的對象，一律都標(biāo)位灰色！
即下圖：

那么，灰色或者黑色對象的引用改為白色對象的時候，Golang是該如何操作的？

看如下圖，一個黑色對象引用了曾經(jīng)標(biāo)記的白色對象。

這時候，寫屏障機(jī)制被觸發(fā)，向GC發(fā)送信號，GC重新掃描對象并標(biāo)位灰色。

因此，gc一旦開始，無論是創(chuàng)建對象還是對象的引用改變，都會先變?yōu)榛疑?/p>

參考文獻(xiàn)：

Golang's Real-time GC in Theory and Practice

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