golang垃圾回收該如何分析

概述

現(xiàn)代編程語言一般都有垃圾回收功能。這個能極大的減輕程序員的負擔，并且減少大部分場景的問題。要知道，c 語言里面最常見的就是踩內(nèi)存，內(nèi)存泄漏，野指針等問題。golang 作為一個新新語言，自然垃圾回收功能少不了的。當前 golang 的垃圾回收基于的理論是三色標記法，并且通過合理的使用內(nèi)存屏障技術(shù)，把垃圾回收的 stw 幾乎消滅（旁白：這個正確的理解，并不是沒有 stw，只是非常非常短了）。

GC & RC

首先，內(nèi)存稍高級的管理有兩個方式，了解兩個名詞：

1. GC：垃圾回收管理內(nèi)存的方式
2. RC：引用計數(shù)管理內(nèi)存的方式

由于 c 語言自身設計的問題，無法實現(xiàn) GC，所以 c 程序怎么管理內(nèi)存呢？引用計數(shù)就是最常用的稍高級的管理方式。引用計數(shù)怎么用？常用姿勢如下：

1. 使用前，為了保護對象不被銷毀，計數(shù) +1
2. 使用完后，計數(shù) -1，計數(shù)減到 0 之后，就可以安全銷毀了

obj_ref(obj);{    do_something ; }obj_unref(obj);

引用計數(shù) RC 的使用看上面非常簡單，但其實是非常有講究的，這里不深入了。此處還是由 golang 的垃圾回收展開。

golang 的垃圾回收我們經(jīng)常聽到三色標記法，三色指的是白色，灰色，黑色，分別表示三種狀態(tài)，至于三色標記法的理論此處不表，我們從簡單的理解切入。

垃圾回收的由來

首先，我們思考下一個不需要思考的問題：垃圾回收是做什么的？golang 為什么需要垃圾回收？

c 程序跑起來是需要內(nèi)存的，棧內(nèi)存由編譯器來管理，堆內(nèi)存由程序員來管理，這個就是 c 程序出內(nèi)存問題的源頭，程序員是人，是人就可能出錯，各種編程人員的素質(zhì)也是參差不齊，實際場景也是各種復雜的情況交織。

所以，我們回歸本源問題，我們本質(zhì)上只是想要一個內(nèi)存而已，管理它只是迫不得已。內(nèi)存用完了，程序員最好也不管。程序員只管用，不管回收。這個就會垃圾回收的由來。

逃逸分析的由來

我們再進一步，c 程序還需要程序員自己決定從棧上分配內(nèi)存，還是堆上分配內(nèi)存？

那么這個事情是程序員必須要做的嗎？并不是，本質(zhì)上程序只是需要一個對象，決定這個事情也是迫不得已。

golang 解決這個事情，就是對應的”逃逸分析“。逃逸分析解決一個問題，在保證 golang 程序正確性的前提下，在編譯階段決定對象的分配位置，棧上？堆上？

垃圾回收，怎么實現(xiàn)？

底線：golang 只需要保證一個點，回收的一定是不用的垃圾，那么就不會出功能性問題，回收的慢點一定程度都 ok 的。

什么樣的是垃圾？

怎么保證回收的一定是垃圾？首先看張圖：

先說結(jié)論：

1. 圖上黃色的就是垃圾，這個從圖里一眼就能看出來。沒人用它呀，可不就是垃圾嘛

怎么把垃圾找出來？

現(xiàn)在關鍵的問題是：這個黃色塊怎么找出來的？

換個說法：你把在用的找明白，剩下的就是沒在用的垃圾了。什么是在用的呢？從所有的根出發(fā)，只要是引用覆蓋到的，就認為在用。

方法：從根處掃描，把所有的根掃描完，每個根掃描到底。按照之前的三色標記來說，掃描完了的是黑色，正在掃描的是灰色的，沒掃描的是白色的。根掃描完了，那么最后只會剩下兩種顏色的，黑色，白色。白色就是沒用的垃圾，這種清理掉就沒事。

問兩個問題：

1. 那么根是什么？
2. 回收的內(nèi)存是哪里的內(nèi)存？

答案：

1. 棧是根，是掃描的起點，還有一些全局變量也是根，是起點
2. 所謂垃圾只對于堆上內(nèi)存來說，棧上內(nèi)存是編譯器管理的，堆上內(nèi)存是業(yè)務分配，垃圾回收器回收

下面說另一個關鍵點：怎么掃描是安全的？

1. 最簡單的思路，我讓世界都停止下來（stw），誰都別動，等我把垃圾找出來，你再運行你的程序吧。這就安全了吧。

還真別說，golang 1.0 就是這么干的。這種實現(xiàn)非常簡單也易于理解，但是無法適用于生產(chǎn)環(huán)境，你一停整個程序，就要暫停業(yè)務，一停就幾秒，所以前期的 golang 根本就不能用呀。

所以呀，為了能夠在線上生產(chǎn)場景使用，而不僅僅是個玩具，那么必須要做到垃圾回收不影響業(yè)務代碼的運行才行。也就是并發(fā)嘍（旁白：不并發(fā)也行，只要你能想到好辦法，能做到：能回收垃圾，又不影響業(yè)務）？簡單的并發(fā)就有要考慮的問題了，先說不安全的例子（掃描和業(yè)務并發(fā)）：

初始場景：

業(yè)務和掃描并發(fā)：

最后結(jié)果：

這白色的就是要被回收的，但我們一看就知道，有一個白色的被引用了，回收就野指針了，被回收掉就垮掉了。

內(nèi)存屏障

怎么解決這個問題？接下來就是內(nèi)存屏障出場了。golang 內(nèi)存屏障也有一個演進過程：

1. 插入寫屏障
2. 混合寫屏障（插入寫屏障 + 刪除寫屏障）

先說屏障的本質(zhì)：

1. 內(nèi)存屏障只是對應一段特殊的代碼
2. 內(nèi)存屏障這段代碼在編譯期間生成
3. 內(nèi)存屏障本質(zhì)上在運行期間攔截內(nèi)存寫操作，相當于一個 hook 調(diào)用

屏障的作用：

1. 通過 hook 內(nèi)存的寫操作時機，阻止一些事情的發(fā)生，或者說做好一些標記工作，從而保證垃圾回收的正確性