1. 根对象到底是什么？
    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：

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。

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。

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。

三色抽象

为了解决原始标记清除算法带来的长时间 STW，多数现代的追踪式垃圾收集器都会实现三色标记算法的变种以缩短 STW 的时间。三色标记算法将程序中的对象分成白色、黑色和灰色三类4

  • 白色对象（潜在的垃圾）：未被回收器访问到的对象。在回收开始阶段，所有对象均为白色，当回收结束后，白色对象均不可达。
  • 灰色对象（活跃对象）：已被回收器访问到的对象，但回收器需要对其中的一个或多个指针进行扫描，因为他们可能还指向白色对象。
  • 黑色对象（活跃对象）：已被回收器访问到的对象，其中所有字段都已被扫描，黑色对象中任何一个指针都不可能直接指向白色对象。

三色标记工作过程

从灰色对象的集合中选择一个灰色对象并将其标记成黑色；
将黑色对象指向的所有对象都标记成灰色，保证该对象和被该对象引用的对象都不会被回收；
重复上述两个步骤直到对象图中不存在灰色对象；

三色标记清除算法本身是不可以并发或者增量执行的，它需要 STW。否则可能会造成本来不应该被回收的对象却被回收。想要并发或者增量地标记对象还是需要使用屏障技术。

屏障技术

内存屏障技术是一种屏障指令，它可以让 CPU 或者编译器在执行内存相关操作时遵循特定的约束，目前多数的现代处理器都会乱序执行指令以最大化性能，但是该技术能够保证内存操作的顺序性，在内存屏障前执行的操作一定会先于内存屏障后执行的操作。

想要在并发或者增量的标记算法中保证正确性，我们需要达成以下两种三色不变性中的一种：

强三色不变性 — 黑色对象不会指向白色对象，只会指向灰色对象或者黑色对象；
弱三色不变性 — 黑色对象指向的白色对象必须包含一条从灰色对象经由多个白色对象的可达路径7；

遵循上述两个不变性中的任意一个，我们都能保证垃圾收集算法的正确性，而屏障技术就是在并发或者增量标记过程中保证三色不变性的重要技术

垃圾收集中的屏障技术更像是一个钩子方法，它是在用户程序读取对象、创建新对象以及更新对象指针时执行的一段代码，根据操作类型的不同，我们可以将它们分成读屏障（Read barrier）和写屏障（Write barrier）两种，因为读屏障需要在读操作中加入代码片段，对用户程序的性能影响很大，所以编程语言往往都会采用写屏障保证三色不变性。

插入写屏障

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writePointer(slot, ptr):
    shade(ptr)
    *slot = ptr

上述插入写屏障的伪代码非常好理解，每当执行类似 *slot = ptr 的表达式时，我们会执行上述写屏障通过 shade 函数尝试改变指针的颜色。如果 ptr 指针是白色的，那么该函数会将该对象设置成灰色，其他情况则保持不变。
2024-11-25T004018

缺点

  • 多标。插入写屏障是一种相对保守的屏障技术，它会将有存活可能的对象都标记成灰色以满足强三色不变性。被错误标记的垃圾对象只有在下一个循环才会被回收。
  • 需要最后STW重新扫描一遍栈。栈上的对象在垃圾收集中也会被认为是根对象，所以为了保证内存的安全，必须为栈上的对象增加写屏障或者在标记阶段完成重新对栈上的对象进行扫描。为了保证栈的操作效率，Go选择重新扫描

删除写屏障

它会保证开启写屏障时堆上所有对象的可达，所以也被称作快照垃圾收集（Snapshot GC）

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writePointer(slot, ptr)
    shade(*slot)
    *slot = ptr

在老对象的引用被删除时，将白色的老对象涂成灰色，这样删除写屏障就可以保证弱三色不变性，老对象引用的下游对象一定可以被灰色对象引用。
2024-11-25T004854
删除写屏障通过对 C 对象的着色，保证了 C 对象和下游的 D 对象能够在这一次垃圾收集的循环中存活，避免发生悬挂指针以保证用户程序的正确性

混合写屏障

Go 语言在 v1.8 组合 Dijkstra 插入写屏障和 Yuasa 删除写屏障构成了如下所示的混合写屏障，该写屏障会将被覆盖的对象标记成灰色并在当前栈没有扫描时将新对象也标记成灰色：

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writePointer(slot, ptr):
    shade(*slot)
    if current stack is grey:
        shade(ptr)
    *slot = ptr

为了移除栈的重扫描过程，除了引入混合写屏障之外，在垃圾收集的标记阶段，我们还需要将创建的所有新对象都标记成黑色，防止新分配的栈内存和堆内存中的对象被错误地回收，因为栈内存在标记阶段最终都会变为黑色，所以不再需要重新扫描栈空间。

GC的流程

阶段 说明 赋值器状态
GCMark 标记准备阶段，为并发标记做准备工作，启动写屏障 STW
GCMark 扫描标记阶段，与赋值器并发执行，写屏障开启 并发
GCMarkTermination 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

触发 GC 的时机

Go 语言中对 GC 的触发时机存在两种形式：

主动触发，通过调用 runtime.GC 来触发 GC，此调用阻塞式地等待当前 GC 运行完毕。

被动触发，分为两种方式：

使用系统监控，当超过两分钟没有产生任何 GC 时，强制触发 GC。

使用步调（Pacing）算法，其核心思想是控制内存增长的比例。

观察GC的方式

  • 方式1： GODEBUG=gctrace=1
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$ go build -o main
$ GODEBUG=gctrace=1 ./main
  • 方式2： go tool trace
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package main

func main() {
  f, _ := os.Create("trace.out")
  defer f.Close()
  trace.Start(f)
  defer trace.Stop()
  (...)
}

最后再执行
$ go tool trace trace.out

参考资料