Go 为什么要有GC ？

starine
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本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路

引言

Go 为什么要有GC ？这是本人遇到的百度面试题，以下是我的回答：

垃圾回收，是一种自动内存管理的机制，它能够主动释放不再需要的内存资源。

很显然，面试官对我的回答不满意，他说这是GC的作用，你没有考虑为什么需要GC？

所以是为什么呢？欢迎评论！！！

GC有什么作用？

GC，全称 Garbage Collection，即垃圾回收，是一种自动内存管理的机制。

当程序向操作系统申请的内存不再需要时，垃圾回收主动将其回收，并供其他代码进行内存申请的时候复用，或者将其归还给操作系统，这种针对内存级别资源的自动回收过程，即为垃圾回收。而负责垃圾回收的程序组件，即为垃圾回收器。

垃圾回收是一个完美的 “Simplicity is Complicated” 的例子。一方面，程序员受益于 GC，无需操心、也不再需要对内存进行手动的申请和释放操作，GC 在程序运行时自动释放残留的内存。另一方面，GC 对程序员几乎不可见，仅在程序需要进行特殊优化时，通过提供可调控的 API，对 GC 的运行时机、运行开销进行把控的时候才得以现身。

通常，垃圾回收器的执行过程被划分为两个半独立的组件：

  • 赋值器（Mutator）：这一名称本质上是指 用户态的代码。因为对垃圾回收器而言，用户态的代码仅仅只是在修改对象之间的引用关系，也就是在对象图（对象之间引用关系的一个有向图）上进行操作。
  • 回收器（Collector）：负责执行垃圾回收的代码。

什么是根对象？

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。

垃圾回收算法

业界常见的垃圾回收算法有以下三种：

  • 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时回收该对象。

    优点： 对象可以很快被回收，不会出现内存耗尽或者达到某个阈值时才被回收；

    缺点： 不能很好的处理循环引用，而且实时维护引用计数也有一定的代价；

    代表语言： Python、PHP、Swift、Objective-C

  • 标记—清除： 从根变量开始遍历所有的引用对象，引用的对象标记为“被引用”，没有被标记的对象被回收。

    优点： 解决了引用计数的缺点；

    缺点： 需要STW（Stop The World），即暂时停止程序运行，专心做垃圾回收，垃圾回收结束后再恢复；

    代表语言： Go（其采用三色标记法）java js

  • 分代收集： 按照对象生命周期的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，不同代有不同的回收算法和回收频率。

三色标记原理

img

原理：

首先把所有的对象都放到白色的集合中

  • 从根节点开始遍历对象，遍历到的白色对象从白色集合中放到灰色集合中
  • 遍历灰色集合中的对象，把灰色对象引用的白色集合的对象放入到灰色集 合中，同时把遍历过的灰色集合中的对象放到黑色的集合中
  • 循环步骤 2，直到灰色集合中没有对象
  • 步骤 3结束后，白色集合中的对象就是不可达对象，也就是垃圾，进行回收

GC 触发时机

内存分配量达到阈值触发GC

  • 使用步调（Pacing）算法，其核心思想是控制内存增长的比例。

每次内存分配时都会检查当前内存分配量是否已达到阈值，如果达到阈值立即启动GC，

阈值 = 上次GC内存分配量 × 内存增长率

内存增长率由环境变量GOGC控制，默认为100，即每当内存扩大一倍时启动GC。

定期触发GC

  • 使用系统监控，默认情况下，当超过两分钟没有产生任何 GC 时，强制触发 GC。这个时间间隔由 runtime.forcegcperiod变量声明

主动触发：

  • 程序代码中可以调用 runtime.GC（）来触发GC，此调用阻塞式地等待当前 GC 运行完毕。主要用于GC的性能测试和统计。

Go 语言中 GC 的流程是什么？

（Go1.14以后）当前版本的 Go 以 STW 为界限，可以将 GC 划分为五个阶段：

阶段说明赋值器状态
SweepTermination清扫终止阶段，为下一个阶段的并发标记做准备工作，启动写屏障STW
Mark扫描标记阶段，与赋值器并发执行，写屏障开启并发
MarkTermination标记终止阶段，保证一个周期内标记任务完成，停止写屏障STW
GCoff内存清扫阶段，将需要回收的内存归还到堆中，写屏障关闭并发
GCoff内存归还阶段，将过多的内存归还给操作系统，写屏障关闭并发

具体而言，各个阶段的触发函数分别为：

gc-process

GC 如何调优

通过 go tool pprof 和 go tool trace 等工具

  • 控制内存分配的速度，限制 Goroutine 的数量，从而提高赋值器对 CPU 的利用率。
  • 减少并复用内存，例如使用 sync.Pool 来复用需要频繁创建临时对象，例 如提前分配足够的内存来降低多余的拷贝。
  • 需要时，增大 GOGC 的值，降低 GC 的运行频率。
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