golang 垃圾回收机制

golang GC 垃圾回收

2016-06-22 22:23 PM

用任何带 GC 的语言最后都要直面 GC 问题。在以前学习 C# 的时候就被迫读了一大堆 .NET Garbage Collection 的文档。最近也学习了一番 golang 的垃圾回收机制,在这里记录一下。


常见 GC 算法

趁着这个机会我总结了一下常见的 GC 算法。分别是:引用计数法Mark-Sweep法三色标记法分代收集法

1. 引用计数法

原理是在每个对象内部维护一个整数值,叫做这个对象的引用计数,当对象被引用时引用计数加一,当对象不被引用时引用计数减一。当引用计数为 0 时,自动销毁对象。

目前引用计数法主要用在 c++ 标准库的 std::shared_ptr 、微软的 COM 、Objective-C 和 PHP 中。

但是引用计数法有个缺陷就是不能解决循环引用的问题。循环引用是指对象 A 和对象 B 互相持有对方的引用。这样两个对象的引用计数都不是 0 ,因此永远不能被收集。

另外的缺陷是,每次对象的赋值都要将引用计数加一,增加了消耗。

2. Mark-Sweep法(标记清除法)

这个算法分为两步,标记和清除。

  • 标记:从程序的根节点开始, 递归地 遍历所有对象,将能遍历到的对象打上标记。
  • 清除:讲所有未标记的的对象当作垃圾销毁。


Animation_of_the_Naive_Mark_and_Sweep_Garbage_Collector_Algorithm.gif-143.9kB
图片来自 https://en.wikipedia.org/wiki/Tracing_garbage_collection

如图所示。

但是这个算法也有一个缺陷,就是人们常常说的 STW 问题(Stop The World)。因为算法在标记时必须暂停整个程序,否则其他线程的代码可能会改变对象状态,从而可能把不应该回收的对象当做垃圾收集掉。

当程序中的对象逐渐增多时,递归遍历整个对象树会消耗很多的时间,在大型程序中这个时间可能会是毫秒级别的。让所有的用户等待几百毫秒的 GC 时间这是不能容忍的。

golang 1.5以前使用的这个算法。

3. 三色标记法

三色标记法是传统 Mark-Sweep 的一个改进,它是一个并发的 GC 算法。

原理如下,

  1. 首先创建三个集合:白、灰、黑。
  2. 将所有对象放入白色集合中。
  3. 然后从根节点开始遍历所有对象(注意这里并不递归遍历),把遍历到的对象从白色集合放入灰色集合。
  4. 之后遍历灰色集合,将灰色对象引用的对象从白色集合放入灰色集合,之后将此灰色对象放入黑色集合
  5. 重复 4 直到灰色中无任何对象
  6. 通过write-barrier检测对象有变化,重复以上操作
  7. 收集所有白色对象(垃圾)


Animation_of_tri-color_garbage_collection.gif-94kB
图片来自 https://en.wikipedia.org/wiki/Tracing_garbage_collection

过程如上图所示。

这个算法可以实现 "on-the-fly",也就是在程序执行的同时进行收集,并不需要暂停整个程序。

但是也会有一个缺陷,可能程序中的垃圾产生的速度会大于垃圾收集的速度,这样会导致程序中的垃圾越来越多无法被收集掉。

使用这种算法的是 Go 1.5、Go 1.6。

4. 分代收集

分代收集也是传统 Mark-Sweep 的一个改进。这个算法是基于一个经验:绝大多数对象的生命周期都很短。所以按照对象的生命周期长短来进行分代。

一般 GC 都会分三代,在 java 中称之为新生代(Young Generation)、年老代(Tenured Generation)和永久代(Permanent Generation);在 .NET 中称之为第 0 代、第 1 代和第2代。

原理如下:

  • 新对象放入第 0 代
  • 当内存用量超过一个较小的阈值时,触发 0 代收集
  • 第 0 代幸存的对象(未被收集)放入第 1 代
  • 只有当内存用量超过一个较高的阈值时,才会触发 1 代收集
  • 2 代同理

因为 0 代中的对象十分少,所以每次收集时遍历都会非常快(比 1 代收集快几个数量级)。只有内存消耗过于大的时候才会触发较慢的 1 代和 2 代收集。

因此,分代收集是目前比较好的垃圾回收方式。使用的语言(平台)有 jvm、.NET 。


golang 的 GC

go 语言在 1.3 以前,使用的是比较蠢的传统 Mark-Sweep 算法。

1.3 版本进行了一下改进,把 Sweep 改为了并行操作。

1.5 版本进行了较大改进,使用了三色标记算法。go 1.5 在源码中的解释是“非分代的、非移动的、并发的、三色的标记清除垃圾收集器”

go 除了标准的三色收集以外,还有一个辅助回收功能,防止垃圾产生过快手机不过来的情况。这部分代码在 runtime.gcAssistAlloc 中。

但是 golang 并没有分代收集,所以对于巨量的小对象还是很苦手的,会导致整个 mark 过程十分长,在某些极端情况下,甚至会导致 GC 线程占据 50% 以上的 CPU。

因此,当程序由于高并发等原因造成大量小对象的gc问题时,最好可以使用 sync.Pool 等对象池技术,避免大量小对象加大 GC 压力。


发表于 2016-06-22 22:23 PM,最后更新于 2017-09-13 21:46:14 PM。

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