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Golang GC

分类: 文章 • 2024-03-20 22:58:58

Golang 标准库 GC

1. 垃圾回收方法

  • 引用计数 (reference counting)

  • 标记-清除 (mark & sweep)

  • 节点复制 (copying garbage collection)

  • 分代搜集 (generational garbage collection)

1.1 引用计数

对每个对象维护一个引用计数

  • 当有引用该对象的对象被销毁或更新时，引用计数自动减1；
  • 当引用对象被创建或被赋值给其他对象时，引用计数自动加1；
  • 当引用计数为0时，对象会被回收

缺点：

  • 频繁更新引用计数降低性能
  • 循环引用导致对象无法被释放

1.2 标记-清除

从根变量开始迭代的遍历所有被引用对象，能能够通过遍历访问的对象都标记为“被引用”；标记完成后进行清除操作，对未被标记的内存进行回收

缺点：每次启动垃圾回收都会暂停当前所有正常运行的代码执行，导致系统响应能力大大降低

1.3 节点复制

将整个堆分两个半区 (semi-space)，一个包含现有数据，另一个包含已被废弃的数据

1.4 分代搜集

将堆划分为两个或多个称为代(generation)的空间，新创建的对象存放在新生代中，随着垃圾回收的重复执行，生命周期较长的对象会被提升(promotion)到老年代中。

新生代垃圾回收的速度非常快，回收频率更高；而老生代垃圾回收频率较低

2. Golang的GC

“非分代的、非移动的、并发的、三色的”标记清除垃圾回收算法

2.1 GC 流程

  1. Stack scan: 收集根对象(全局变量和goroutine栈上的变量)，该阶段会开启写屏障(Write Barrier)
  2. Mark: 标记对象，直到标记完所有的根对象和根可达对象，此时写屏障会记录所有指针的更改(通过mutator)
  3. Mark Termination: 重新扫描部分全局变量和发生更改的栈变量，完成标记，该阶段会STW，造成go程序停顿的主要阶段
  4. Sweep：并发清除未标记的对象

Golang GC

2.2 三色标记：在Mark阶段

  • 白色: 未标记对象，gc开始时所有对象都为白色，当gc结束时，如果仍为白色，说明对象不可达，在sweep阶段会被清除
  • 灰色：被黑色对象引用到的对象，但其引用的自对象还未被扫描，灰色为标记过程的中间状态，当灰色对象全部被标记完成，代表本次标记阶段结束
  • 黑色：已标记的对象，表示对象是根对象可达的

2.3 三色标记的主要过程

  1. 开始时所有对象为白色

  2. 将所有根对象标记为灰色，放入队列

  3. 遍历灰色对象，将其标记为黑色，并将它们引用的对象标记为灰色，放入队列

  4. 重复步骤3持续遍历灰色对象，直至队列为空

  5. 此时只剩下黑色和白色对象，白色对象即为需要sweep的对象

Golang GC

Golang GC

2.4 STW: Stop The World

为防止在标记过程中，对象引用发生变化，导致清除仍在使用的对象。

三色标记过程中，由于引入了灰色对象这个中间状态，标记过程和用户的golang代码并发执行，不需要STW，极大减少了应用的停顿时间

STW永远是带有GC语言的痛

1.5+版本，STW已从以前的数秒降低到1ms以内

1.6+版本，会根据实际使用情况平衡下延迟和吞吐量。没有STW也是可以的，但吞吐量会进一步下降，未被是好选择

WB: Write Barrier，把全局变量，以及每个goroutine中的root对象收集起来，Root对象是标记扫描的源头。避免在标记过程中应用对象的改变

go的对象大小定义：

  • 大对象：> 32KB
  • 小对象：16KB ~ 32KB
  • Tiny对象：1Byte ~ 16KB，不包含指针对象

3. 触发GC的两种方式

  • 主动触发：调用runtime.GC() 阻塞式地强制启动一轮GC
  • 被动触发：
    • 系统监控：当超过2分钟没进行GC时，会触发一轮GC
    • 步调(Pacing)算法：判断当前内存的增长比例是否已达到触发一轮GC的阀值，超过阀值，启动一轮GC

4. GC参数调节

GOGC：范围0～100， 默认100. GOGC=off 代表关闭GC；GOGC=0代表持续进行GC，只能用于调试

假如当前heap占有内存4MB，GOGC=75:

4 * (1 + 75%) = 7MB

当heap占用达到7MB时会触发一轮GC

5. 内存分配

Golang GC

  1. 栈区：

    空间较小，数据读写性能高，数据存放时间短

    由编译器主动分配和释放，存放函数的参数值、函数调用流程方法地址、局部变量等（局部变量如果产生逃逸现象，可能会挂在堆区）

  2. 堆区：

    空间充溢，数据存放时间较久

    一般由使用者分配和释放，Golang由GC清除机制自动回收

  3. 全局区：

    • 静态全局变量区：全局变量对外完全可见，即作用域在全部代码中，必须使用var来声明

    • 常量区：常量不可修改，不可获取地址，用const来声明

  4. 代码区：

    存放代码逻辑的内存

5.1 栈和堆比较

栈：一般函数内部执行中声明的变量，函数返回直接释放，不会引起垃圾回收，对性能无影响

堆：有引用到的内存空间，靠GC回收，会影响程序进程

栈和堆是在内存上2块不同功能的区域：

  • 栈在高地址，从高地址向低地址增长
  • 堆在低地址，从低地址向高地址增长

栈和堆相比优势：

  • 栈的内存管理简单，分配比堆快

  • 栈的内存不需要回收，但堆需要，无论是主动free，还是被动的垃圾回收，都需要消耗额外的CPU

  • 栈内存由更好的局部性，堆内存访问就不那么友好了，CPU访问的2块数据可能在不同的页上，这更耗时

5.2 Golang 内存管理

主要是指堆内存管理，因为栈内存不需要程序去操心

堆内存管理主要是三部分：

  • 分配内存块
  • 回收内存块
  • 组织内存块

一个内存块，包含三类信息：

  • 元数据
  • 用户数据
  • 对齐字段，内存对齐时为了提高访问效率

释放内存：实质是把已使用的内存块，从链表中取出来，标记为未使用，当分配内存块时，可以从未使用内存块中有先查找大小相近的内存块，如果找不到，再从未分配的内存中分配内存。

6. 内存逃逸

逃逸分析：由编译器决定内存分配的位置，不需要程序员指定，及编译器决定新申请的对象放堆上还是栈上

逃逸分析场景：

  • 指针逃逸：

    函数内定义的变量返回到函数外，会将本该分配到栈上的内存分配到了堆上

  • 栈空间不足逃逸：

    栈空间不在或无法判断当前切片长度时，会将对象分配到堆上

  • 动态类型逃逸：

    当函数参数为interface类型，编译期间无法确定参数的具体的类型，也可能会产生逃逸

内存逃逸的五种情况：

  1. 发送指针到channel中。由于在编译阶段无法确定其作用域，所以一般会逃逸到堆上分配
  2. slice中包含指针元素。即使slice的底层数组仍在栈上，但数据引用也会转移到堆中
  3. slice由于append操作导致扩容。编译时，slice初始容量已知的情况下，在栈上分配内存，但slice扩容时，则在堆上分配
  4. 调用接口类型的方法。接口类型方法的调用是动态的，即运行时确定。例如一个接口类型为io.Reader的变量r，对r.Read(b)的调用将导致r的值和byte数组b的后续转义到分配在堆上
  5. 尽管能够分配在栈上，但编译时无法确定其大小的情况，也会分配到堆上

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