青训营笔记，在这篇文章中我们主要探讨一下我们将代码写好后，编译器是怎么处理优化我们的代码的（勉强算得上是切题了QAQ）。本次主要记录垃圾回收的概念、以及引用计数、串行标记-清除、并发标记-清除以及三色标记法。
0.为什么需要垃圾回收：
整体而言，垃圾回收可以被归纳一种资源管理策略，为在平时编写程序的过程中，我们都会创建变量或者对象，在这个过程中，程序员或者编译器会在虚拟内存中划分一块区域。而当这个对象或者变量不再被使用后，在未经处理的情况下其依然会留存在内存当中，这个时候这个变量就成为了“垃圾”。其主要影响可以被归纳为两个方面
- 浪费虚拟内存空间：这个很好理解，如果垃圾不被回收，虚拟内存中就会被这些的不再被使用的类和变量给堆满，影响真正有用的变量和对象
- 为长时间执行的程序带来风险：对于一些需要长时间运行的程序，在使用完内存资源后如果没有及时释放内存资源，容易造成内存泄露，比较经典的例子就是如下的野指针：
swap( int* p1,int* p2 )
{
int *p;
*p = *p1;
*p1 = *p2;
*p2 = *p;
}
当swap函数被多次调用的时候，就非常容易导致内存泄露，引起系统崩溃
而针对这一问题，我们需要引入垃圾回收机制，严格意义上来说，垃圾回收并不属于编译器的主营业务，操作系统一般会记录一个进程运行时所占的资源（内存、cpu、寄存器等），进程一旦结束，操作系统就会自动释放这一部分资源。
但是这种方案并无法适配平时实际程序的应用场景，对于某些程序而言，其需要长时间进行运行，依赖传统的操作系统主导的垃圾回收明显是不行的，于是我们需要另外的一套算法来进行垃圾回收。
1.垃圾回收分类：
垃圾回收算法有非常多，本文主要基本的本文主要围绕Go的几个比较经典的垃圾回收方法进行介绍。本次主要介绍串行标记-清扫， 并发标记清扫，三色标记法这三种。
| Go版本号 | 垃圾回收算法 |
|---|---|
| v1.1 | 串行标记-清扫 |
| v1.3 | 并发标记清扫 |
| v1.5 | 三色标记法 |
2 算法介绍
2.1 引用计数：
2.1.1 引用计数的原理与实现：
引用计数的本质是通过对资源的被引次数进行管理，从而达到资源使用效率最大化的目的。具体的实现是通过每一个单元去维护一个域，保存其他单元指向他的引用数量。当这个数量为0的时候，就对这块资源进行回收。 这里我们给出一个比较直观的例子，参见以下这个图，我们一共实例化了三个对象A，B，C，每个对象的计数器的初始值均为0。
其中B、C分别在执行过程中对A进行了引用（此处表示为箭头指向A）那么此处A的计数器就会+2。如果之后B不再引用A了，那么就会将此时的计数器数量-1，如果，C,B均不再应用A。此时计数器就会被清0，对象A就会被进行回收。在具体实现上，对象会将自己作为空闲空间链接到链表。
总结一下，引用计数的步骤主要可以被分为以下三个重点
- 确定资源被引状况
- 每多一个引用，计数+1；每少一个引用；计数-1
- 当计数器为0的时候，对对象进行回收
2.1.2 引用计数的优势与劣势：
引用计数这种方法的主要优势有以下几个：
- 不需挂起程序：对于一些GC策略，其需要在一段时间内将程序挂起，单独进行垃圾回收。而引用计数在整个程序执行的期间内都可以进行垃圾回收。
- 实时性强：引用计数的算法实现的时候，每个耗尽对会有计数器，一旦为0就可以即刻回收，不需要堆上的资源耗尽后才能判断某个对象或者变量是否是垃圾。
- 算法相对简单（当然实现上并不简单）
引用计数这种方法的劣势也相对明显：
- 无法处理循环引用：循环引用的情况如下所示：
循环引用的经典出现场景是两个对象是同一个类的实例，同时属性之间相互赋值，再这种情况下，无法有效减少计数器数量
- 额外资源开销：引用计数法本身需要一个额外的计数器，故此需要额外的资源，同时针对计数器的增减更新也需要消耗额外的资源。
2.2 串行标记-清扫
2.2.1 标记-清扫的原理与实现
标记清扫可以算的上是最为古老的垃圾回收算法了，其主要是通过间接的方式进行回收。在这个算法当中，其会对象进行扫描（也被称为追踪，这也是为什么标记-清扫是被称为追踪式算法），标记扫描到的对象，而剩下的对象就会被视为是垃圾， 进行回收。整体上而言，标记-清扫算法主要可以分为以下几个步骤：
- 挂起程序，进行垃圾回收（这个地方也被称为Stop The World(STW)）
- 标记：从根对象进行扫描，并且进行标记
- 清扫：将没有被标记的垃圾进行回收
- 垃圾回收过程结束，唤醒程序 具体我们可以来看看以下这个例子,这是执行垃圾清扫前的程序的情况
此时我们开始执行标记，此处红框的地方代表被标记的对象，此处我们分别标记了A,B,C这三个对象，其中没有引用的对象D为被标记，就需要被进行回收。
2.2.3 串行标记-清扫的优势与劣势：
标记清扫的优势非常明显，此处我们简单概括一下
- 避免了循环引用的情况发生
- 程序设计相对简单
于此同时，标记清扫算法也有一定的劣势，我们也对其进行概括。
- 需要进行STW：串行标记-清扫的方式中，程序需要先被挂起后，才能进行进行GC。
- 容易产生碎片：标记-清扫的方法并不会考虑内存中各个对象的位置，在进行一次垃圾回收后，如果后期新建的对象较大，则需要再次进行一次垃圾回收。具体可以看看下面这个情况
此时我们对垃圾进行一次回收：
此时，如果我们需要实例化一个占15个内存格的对象，那么此时就需要再次进行一次GC，否则不够容纳新的对象。
2.3 并发标记-清扫：
2.3.1 并发标记-清扫的原理与实现
并行垃圾清扫实际上是串行垃圾清扫的一种改版，其主要思想是通过调整GC的步骤顺序来对优化垃圾回收的效率，此处我们通过下面两张图来进一步说明
从上面两张图中，我们可以发现，在第一张图所标示的并发标记-清扫算法中，程序在标记后会被唤醒、继续执行，在程序执行的通同时完成清扫任务，这样就比起传统的传统的串行标记-清扫算法，其效率会更高。
我看到这里的时候有一个疑问，既然要通过并发来优化，为什么不可以一边执行程序，一边执行标记和清除，这样更加彻底，而需要保留STW呢？这么做的依据在于程序执行端时候进行标记-清除，可以确保程序在进行GC之间没有任何新的对象产生。如果不引入STW而直接执行标记-清除，会导致运行期间程序产生的新对象没有被标记到，而被错误回收。
2.4 三色标记法：
2.4.1 三色标记法的原理与实现
三色标记法在某种程度上来说算是标记-清扫算法的一种优化，在我们上面看的的两种算法中，最大的不足之一是为了垃圾回收的有效性必须引入STW机制，让程序长时间挂起。三色标记法通过引入着色的方式，使得垃圾回收可以被异步执行。其中三色标记法中的白、灰、黑三种颜色分别代表以下三个状态： 1.白色：尚未被GC标记过的对象，如果全部对象标记完成，则为垃圾对象 2. 灰色：本对象已经被GC标记过，但是其子引用仍然未被GC标记过，属于中间态。
三色标记法的步骤大约分为以下三个。
- 检查对象：检查出需要进行标记的对象。
- 进行初始着色：将所有对象都设置为白色
- 开始进行着色，此时可以先将所有的全局变量和函数栈中的对象设置为灰色。
- 按照引用访问对象的子引用，如果当前对象不存在子引用，就将其设为黑色，反之如果对象存在子引用，则将所有的子引用都设为灰色，当前对象设为黑色。
- 重复第四步
具体的实现，我们可以看看以下这个例子
先将所有对象都设为白色。
所有的全局变量和函数栈中的对象设置为灰色。
按照引用访问对象的子引用，如果当前对象不存在子引用，就将其设为黑色，反之如果对象存在子引用，则将所有的子引用都设为灰色，当前对象设为黑色。
重复上面的步骤
再次重复，此时已经没有灰色了，回收垃圾对象B,C,H
2.4.2 三色优化的优缺点：
三色优化的优点非常明显，就是其高实时性，其可以以中断时间极少的代价或者完全没有中断来进行整个GC。
三色优化的劣势主要在于，当运用于与用户线程并发运行的情况时，对象的引用并不稳定，其可能会发生改变，造成多标或者漏标。针对这个情况的优化我会在下一篇博文进行阐述。
下次的博文主要记录介绍在Go中的垃圾回收算法的具体运行流程
参考文献
- golang 垃圾回收 - 知乎 (zhihu.com)
- Golang 垃圾回收机制 - hezhixiong - 博客园 (cnblogs.com)
- 面试官：并发标记时如何标记垃圾 & 垃圾回收之三色标记法详解_青蓝饮墨的博客-CSDN博客
- 三色标记法与读写屏障 - 简书 (jianshu.com)
- 深入理解GO语言垃圾回收全流程_go 垃圾回收_量子学习法的博客-CSDN博客
- 四种垃圾回收算法（标记-清除算法【Mark-Sweep】,复制算法【Coping】，标记-整理算法【Mark-Compact】，分代收集算法【Generational Collection】） -
晶晶- 博客园 (cnblogs.com)
