技术

《大数据经典论文解读》 三驾马车学习 Spark 内存管理及调优 Yarn学习 从Spark部署模式开始讲源码分析 容器狂占内存资源怎么办? 多角度理解一致性 golang io使用及优化模式 Flink学习 c++学习 学习ebpf go设计哲学 ceph学习 学习mesh kvm虚拟化 学习MQ go编译器 学习go 为什么要有堆栈 汇编语言 计算机组成原理 运行时和库 Prometheus client mysql 事务 mysql 事务的隔离级别 mysql 索引 坏味道 学习分布式 学习网络 学习Linux go 内存管理 golang 系统调用与阻塞处理 Goroutine 调度过程 重新认识cpu mosn有的没的 负载均衡泛谈 单元测试的新解读 《Redis核心技术与实现》笔记 《Prometheus监控实战》笔记 Prometheus 告警学习 calico源码分析 对容器云平台的理解 Prometheus 源码分析 并发的成本 基础设施优化 hashicorp raft源码学习 docker 架构 mosn细节 与微服务框架整合 Java动态代理 编程范式 并发通信模型 《网络是怎样连接的》笔记 go channel codereview gc分析 jvm 线程实现 go打包机制 go interface及反射 如何学习Kubernetes 《编译原理之美》笔记——后端部分 《编译原理之美》笔记——前端部分 Pilot MCP协议分析 go gc 内存管理玩法汇总 软件机制 istio流量管理 Pilot源码分析 golang io 学习Spring mosn源码浅析 MOSN简介 《datacenter as a computer》笔记 学习JVM Tomcat源码分析 Linux可观测性 学习存储 学计算 Gotty源码分析 kubernetes operator kaggle泰坦尼克问题实践 kubernetes扩缩容 神经网络模型优化 直觉上理解深度学习 如何学习机器学习 TIDB源码分析 什么是云原生 Alibaba Java诊断工具Arthas TIDB存储——TIKV 《Apache Kafka源码分析》——简介 netty中的线程池 guava cache 源码分析 Springboot 启动过程分析 Spring 创建Bean的年代变迁 Linux内存管理 自定义CNI IPAM 共识算法 spring redis 源码分析 kafka实践 spring kafka 源码分析 Linux进程调度 让kafka支持优先级队列 Codis源码分析 Redis源码分析 C语言学习 《趣谈Linux操作系统》笔记 docker和k8s安全访问机制 jvm crash分析 Prometheus 学习 Kubernetes监控 容器日志采集 Kubernetes 控制器模型 容器狂占资源怎么办? Kubernetes资源调度——scheduler 时序性数据库介绍及对比 influxdb入门 maven的基本概念 《Apache Kafka源码分析》——server Kubernetes类型系统 源码分析体会 《数据结构与算法之美》——算法新解 Kubernetes源码分析——controller mananger Kubernetes源码分析——apiserver Kubernetes源码分析——kubelet Kubernetes介绍 ansible学习 Kubernetes源码分析——从kubectl开始 jib源码分析之Step实现 jib源码分析之细节 线程排队 跨主机容器通信 jib源码分析及应用 为容器选择一个合适的entrypoint kubernetes yaml配置 《持续交付36讲》笔记 mybatis学习 程序猿应该知道的 无锁数据结构和算法 CNI——容器网络是如何打通的 为什么很多业务程序猿觉得数据结构和算法没用? 串一串一致性协议 当我在说PaaS时,我在说什么 《数据结构与算法之美》——数据结构笔记 PouchContainer技术分享体会 harbor学习 用groovy 来动态化你的代码 精简代码的利器——lombok 学习 《深入剖析kubernetes》笔记 编程语言那些事儿 rxjava3——背压 rxjava2——线程切换 spring cloud 初识 《深入拆解java 虚拟机》笔记 《how tomcat works》笔记 hystrix 学习 rxjava1——概念 Redis 学习 TIDB 学习 如何分发计算 Storm 学习 AQS1——论文学习 Unsafe Spark Stream 学习 linux vfs轮廓 《自己动手写docker》笔记 java8 实践 中本聪比特币白皮书 细读 区块链泛谈 比特币 大杂烩 总纲——如何学习分布式系统 hbase 泛谈 forkjoin 泛谈 看不见摸不着的cdn是啥 《jdk8 in action》笔记 程序猿视角看网络 bgp初识 calico学习 AQS——粗略的代码分析 我们能用反射做什么 web 跨域问题 《clean code》笔记 《Elasticsearch权威指南》笔记 mockito简介及源码分析 2017软件开发小结—— 从做功能到做系统 《Apache Kafka源码分析》——clients dns隐藏的一个坑 《mysql技术内幕》笔记 log4j学习 为什么netty比较难懂? 回溯法 apollo client源码分析及看待面向对象设计 学习并发 docker运行java项目的常见问题 OpenTSDB 入门 spring事务小结 分布式事务 javascript应用在哪里 《netty in action》读书笔记 netty对http2协议的解析 ssl证书是什么东西 http那些事 苹果APNs推送框架pushy apple 推送那些事儿 编写java框架的几大利器 java内存模型 java exception Linux IO学习 netty内存管理 测试环境docker化实践 netty在框架中的使用套路 Nginx简单使用 《Linux内核设计的艺术》小结 Go并发机制及语言层工具 Linux网络源代码学习——数据包的发送与接收 《docker源码分析》小结 docker namespace和cgroup Linux网络源代码学习——整体介绍 zookeeper三重奏 数据库的一些知识 Spark 泛谈 链式处理的那些套路 netty回顾 Thrift基本原理与实践(二) Thrift基本原理与实践(一) 回调 异步执行抽象——Executor与Future Docker0.1.0源码分析 java gc Jedis源码分析 深度学习泛谈 Linux网络命令操作 JTA与TCC 换个角度看待设计模式 Scala初识 向Hadoop学习NIO的使用 以新的角度看数据结构 并发控制相关的硬件与内核支持 systemd 简介 quartz 源码分析 基于docker搭建测试环境(二) spring aop 实现原理简述 自己动手写spring(八) 支持AOP 自己动手写spring(七) 类结构设计调整 分析log日志 自己动手写spring(六) 支持FactoryBean 自己动手写spring(九) 总结 自己动手写spring(五) bean的生命周期管理 自己动手写spring(四) 整合xml与注解方式 自己动手写spring(三) 支持注解方式 自己动手写spring(二) 创建一个bean工厂 自己动手写spring(一) 使用digester varnish 简单使用 关于docker image的那点事儿 基于docker搭建测试环境 分布式配置系统 JVM执行 git maven/ant/gradle/make使用 再看tcp kv系统 java nio的多线程扩展 《Concurrency Models》笔记 回头看Spring IOC IntelliJ IDEA使用 Java泛型 vagrant 使用 Go常用的一些库 Python初学 Goroutine 调度模型 虚拟网络 《程序员的自我修养》小结 Kubernetes存储 访问Kubernetes上的Service Kubernetes副本管理 Kubernetes pod 组件 Go基础 JVM类加载 硬币和扑克牌问题 LRU实现 virtualbox 使用 ThreadLocal小结 docker快速入门

架构

特征平台 实时训练 分布式链路追踪 helm tensorflow原理——python层分析 如何学习tensorflow 数据并行——allreduce 数据并行——ps 机器学习中的python调用c 机器学习训练框架概述 embedding的原理及实践 tensornet源码分析 大模型训练 X的生成——特征工程 tvm tensorflow原理——core层分析 模型演变 《深度学习推荐系统实战》笔记 keras 和 Estimator tensorflow分布式训练 分布式训练的一些问题 基于Volcano的弹性训练 图神经网络 pytorch弹性分布式训练 在离线业务混部 RNN pytorch分布式训练 CNN 《动手学深度学习》笔记 pytorch与线性回归 多活 volcano特性源码分析 推理服务 kubebuilder 学习 mpi 学习pytorch client-go学习 tensorflow学习 提高gpu 利用率 GPU与容器的结合 GPU入门 AI云平台 tf-operator源码分析 k8s批处理调度 喜马拉雅容器化实践 Kubernetes 实践 学习rpc BFF 生命周期管理 openkruise学习 可观察性和监控系统 基于Kubernetes选主及应用 《许式伟的架构课》笔记 Kubernetes webhook 发布平台系统设计 k8s水平扩缩容 Scheduler如何给Node打分 Scheduler扩展 controller 组件介绍 openkruise cloneset学习 controller-runtime源码分析 pv与pvc实现 csi学习 client-go源码分析 kubelet 组件分析 调度实践 Pod是如何被创建出来的? 《软件设计之美》笔记 mecha 架构学习 Kubernetes events学习及应用 CRI 资源调度泛谈 业务系统设计原则 grpc学习 元编程 以应用为中心 istio学习 下一代微服务Service Mesh 《实现领域驱动设计》笔记 serverless 泛谈 概率论 《架构整洁之道》笔记 处理复杂性 那些年追过的并发 服务器端编程 网络通信协议 架构大杂烩 如何学习架构 《反应式设计模式》笔记 项目的演化特点 反应式架构摸索 函数式编程的设计模式 服务化 ddd反模式——CRUD的败笔 研发效能平台 重新看面向对象设计 业务系统设计的一些体会 函数式编程 《左耳听风》笔记 业务程序猿眼中的微服务管理 DDD实践——CQRS 项目隔离——案例研究 《编程的本质》笔记 系统故障排查汇总及教训 平台支持类系统的几个点 代码腾挪的艺术 abtest 系统设计汇总 《从0开始学架构》笔记 初级权限系统设计 领域驱动理念入门 现有上传协议分析 移动网络下的文件上传要注意的几个问题 推送系统的几个基本问题 用户登陆 做配置中心要想好的几个基本问题 不同层面的异步 分层那些事儿 性能问题分析 当我在说模板引擎的时候,我在说什么 用户认证问题 资源的分配与回收——池 消息/任务队列

标签


go gc

2020年01月29日

前言

Visualizing memory management in Golang 有动图建议细读

字节跳动 Go 语言面试高频题 02:垃圾回收器 GC 示例讲的非常好。

推荐曹大的 聊聊Go 语言的 GC 实现,垃圾回收的理论,推荐阅读:《gc handbook》,可以解答你所有的疑问。

基本思想

不分代

垃圾回收的基本想法Go 实现的垃圾回收器是无分代(对象没有代际之分)、 不整理(回收过程中不对对象进行移动与整理)、并发(与用户代码并发执行)的三色标记清扫算法。分代 GC 依赖分代假设,即 GC 将主要的回收目标放在新创建的对象上(存活时间短,更倾向于被回收), 而非频繁检查所有对象。但 Go 的编译器会通过逃逸分析将大部分新生对象存储在栈上(栈直接被回收), 只有那些需要长期存在的对象才会被分配到需要进行垃圾回收的堆中。 也就是说,分代 GC 回收的那些存活时间短的对象在 Go 中是直接被分配到栈上, 当 goroutine 死亡后栈也会被直接回收,不需要 GC 的参与,进而分代假设并没有带来直接优势。 并且 Go 的垃圾回收器与用户代码并发执行,使得 STW 的时间与对象的代际、对象的 size 没有关系。 Go 团队更关注于如何更好地让 GC 与用户代码并发执行(使用适当的 CPU 来执行垃圾回收), 而非减少停顿时间这一单一目标上。

Visualizing memory management in Golang

  1. go 没有对内存 分代管理, The main reason for this is the TCMalloc(Thread-Caching Malloc), which is what Go’s own memory allocator was modeled upon. Many programming languages that employ Garbage collection uses a generational memory structure to make collection efficient along with compaction to reduce fragmentation. Go takes a different approach here, as we saw earlier, Go structures memory quite differently. Go employs a thread-local cache to speed up small object allocations and maintains scan/noscan spans to speed up GC. This structure along with the process avoids fragmentation to a great extent making compact unnecessary during GC.
  2. One major difference Go has compared to many garbage collected languages is that many objects are allocated directly on the program stack. The Go compiler uses a process called escape analysis to find objects whose lifetime is known at compile-time and allocates them on the stack rather than in garbage-collected heap memory. During compilation Go does the escape analysis to determine what can go into Stack(static data) and what needs to go into Heap(dynamic data). Go的对象(即struct类型)是可以分配在栈上的。Go会在编译时做静态逃逸分析(Escape Analysis), 如果发现某个对象并没有逃出当前作用域,则会将对象分配在栈上而不是堆上,从而减轻了GC压力。其实JVM也有逃逸分析,但与Go不同的是Java无法在编译时做这项工作,分析是在运行时完成的,这样做一是会占用更多的CPU时间,二是不可能会把所有未逃逸的对象都优化到栈中。

串行标记清扫

回收器开始执行时, 将并发执行的赋值器挂起。这种情况下,对用户态代码而言,回收器是一个原子操作。

// 标记追踪:从根集合(寄存器、执行栈、全局变量)开始遍历对象图,标记遇到的每个对象;
func mark() {
    worklist.Init()                       // 初始化标记 work 列表
    for root := range roots {             // 从根开始扫描
        ref := *root
        if ref != nil && !isMarked(ref) { // 标记每个遇到的对象
            setMarked(ref)
            worklist.Add(ref)
            for !worklist.Empty() {
                ref := worklist.Remove()  // ref 已经标记过
                for fld := range Pointers(ref) {
                    child := *fld
                    if child != nil && !isMarked(child) {
                        setMarked(child)
                        worlist.Add(child)
                    }
                }
            }
        }
    }
}
// 清扫回收:检查堆中每一个对象,将所有未标记的对象当做垃圾进行回收。
func sweep() {
    // 检查堆区间内所有的对象
    for scan := worklist.Start(); scan < worklist.End(); scan = scan.Next {
        if isMarked(scan) {
            unsetMarked(scan)
        } else {
            free(scan) // 将未标记的对象释放
        }
    }
}

采取 STW 这样凶残的策略,主要还是防止 mutator 在 GC 的时候捣乱——这跟你用扫地机器人的时候先把狗(Mutator/Application)先锁起来,等房子全部打扫完再把狗放开 的道理是一样的(Stop The Dog)。

三色标记法/三色抽象

三色抽象只是一种描述追踪式回收器的方法,在实践中并没有实际含义, 它的重要作用在于从逻辑上严密推导标记清理这种垃圾回收方法的正确性。 之前 gc 和 应用线程没有 沟通机制,所以gc 干活儿的时候,应用线程就得 “歇着”。涂色 本质上 是提供了一种沟通渠道

func isWhite(ref interface{}) bool {
    return !isMarked(ref)
}
func isGrey(ref interface{}) bool {
    return worklist.Find(ref)
}
func isBlack(ref interface{}) bool {
    return isMarked(ref) && !isGrey(ref)
}

当垃圾回收开始时,只有白色对象。随着标记过程开始进行时,灰色对象开始出现(着色),这时候波面便开始扩大。当一个对象的所有子节点均完成扫描时,会被着色为黑色。当整个堆遍历完成时,只剩下黑色和白色对象,这时的黑色对象为可达对象,即存活;而白色对象为不可达对象,即死亡。这个过程可以视为以灰色对象为波面,将黑色对象和白色对象分离,使波面不断向前推进,直到所有可达的灰色对象都变为黑色对象为止的过程。

扩大波面:将白色对象作色成灰色;推进波面:扫描对象并将其着色为黑色;后退波面:将黑色对象回退到灰色

并发标记清扫

一种表述:使用三色抽象,主要是为了能让垃圾回收流程与应用流程并发执行,这样将对象扫描过程拆分为多个阶段,不需要一次性完成整个扫描流程。

// 并发标记
func markSome() bool {
    if worklist.empty() {       // 初始化回收过程
        scan(Roots)             // 赋值器不持有任何白色对象的引用
        if worklist.empty() {   // 此时灰色对象已经全部处理完毕
            sweep()             // 标记结束,立即清扫
            return false
        }
    }
    // 回收过程尚未完成,后续过程仍需标记
    ref = worklist.remove()
    scan(ref)
    return true
}

func scan(ref interface{}) {
    for fld := range Pointers(ref) {
        child := *fld
        if child != nil {
            shade(child)
        }
    }
}

func shade(ref interface{}) {
    if !isMarked(ref) {
        setMarked(ref)
        worklist.add(ref)
    }
}

堆上对象本质上是图,标记过程是一个广度优先的遍历过程。从根节点开始,将节点的子节点推到任务队列中,然后递归扫描子节点的子节点,直到所有工作队列都被排空为止。标记过程会将白色对象标记,并推进队列中变成灰色对象。

// 并发清扫
func New() (interface{}, error) {
    collectEnough()
    ref := allocate()
    if ref == nil {
        return nil, errors.New("Out of memory")
    }
    return ref, nil
}
func collectEnough() {
    stopTheWorld()
    defer startTheWorld()
    for behind() { // behind() 控制回收工作每次的执行量
        if !markSome() {
            return
        }
    }
}

对象丢失问题

GC 线程 / 协程与应用线程 / 协程是并发执行的,在 GC 标记 worker 工作期间,应用还会不断地修改堆上对象的引用关系,这就可能导致对象丢失问题。为了解决漏标,错标的问题,我们先需要定义“三色不变性”,如果我们的堆上对象的引用关系不管怎么修改,都能满足三色不变性,那么也不会发生对象丢失问题。

  1. 强三色不变性,禁止黑色对象指向白色对象
  2. 弱三色不变性,黑色对象可以指向白色对象,但指向的白色对象,必须有能从灰色对象可达的路径

write barrier

实现强 / 弱三色不变性均需要引入屏障技术。在 Go 语言中,使用写屏障,也就是 write barrier 来解决上述问题。这里 barrier 的本质是 : snippet of code insert before pointer modify。不过,在并发编程领域也有 memory barrier,但这个含义与 GC 领域的 barrier 是完全不同的,不要混淆这两个概念。Go 语言的 GC 只有 write barrier,没有 read barrier。

在应用进入 GC 标记阶段前的 stw 阶段,会将全局变量 runtime.writeBarrier.enabled 修改为 true,这时所有的堆上指针修改操作在修改之前便会额外调用 runtime.gcWriteBarrier

  1. Write barrier is a special code inserted by the compiler, inserted during compilation, the code function name is called gcWriteBarrier;
  2. The barrier code does not run directly, but also requires conditional judgment. Therefore, there is one more write operation for the assignment of the memory on the heap in normal times; 伪代码 PS: 也就是 堆上所有指针修改 obj = xx会自动被编译为 下列代码,多了一个判断,gc未执行期间,效率肯定比没gc的语言低一点
     if runtime.writeBarrier.enabled {    
         runtime.gcWriteBarrier(ptr, val)
     } else {    
         *ptr = val
     }
    

在 GC 领域中,常见的 write barrier 有两种:

  1. Yuasa Deletion Barrier,指针修改时,修改前指向的对象要标灰
     func YuasaWB(slot *unsafe.Pointer, ptr unsafe.Pointer){
         shade(*slot)
         *slot = ptr
     }
    
  2. Dijistra Insertion Barrier,指针修改时,指向的新对象要标灰:

     // ptr 赋值给 slot ,在编译器层面改为  DijkstraWritePointer 调用(如果开启写屏障)
     // 灰色赋值器 Dijkstra 插入屏障
     func DijkstraWritePointer(slot *unsafe.Pointer, ptr unsafe.Pointer) {
         shade(ptr) //  shade(ptr) 会将尚未变成灰色或黑色的指针 ptr 标记为灰色。通过保守的假设 *slot 可能会变为黑色, 并确保 ptr 不会在将赋值为 *slot 前变为白色,进而确保了强三色不变性。
         *slot = ptr
     }
    

使用上述两种屏障其中的任意一种,都需要在 stw 阶段对栈进行重扫。所以经过多个版本的迭代,现在 Go 的写屏障混合了上述两种屏障,实现是这样的:

func RealityWB(slot *unsafe.Pointer, ptr unsafe.Pointer){
    shade(*slot)
    shade(ptr)
    *slot = ptr
}

Go 垃圾回收(四)——一次完整的回收

三色标记法是一种可以并发执行的算法。Collector可以做了一段标记工作后,就让mutator再运行一段。如果在mutator运行期间,一个黑色对象被修改了,比如往一个黑色对象 a 里新存储了一个指针 b,那么把 a 涂成灰色,或者把 b 涂成灰色,就可以了。增量标记的过程中,需要编译器做配合往生成的目标代码中插入写屏障(Write Barrier)的代码。Write Barrier 主要做这样一件事情,修改原先的写逻辑,当白色节点交由黑色节点引用时, 立刻对被引用节点进行着色,并且着色为”灰色“,并加入到work pool。因此打开了 Write Barrier 可以保证了三色标记法在并发下安全正确地运行。 另一种表述:since the garbage collector can run concurrently with our Go program, it needs a way to detect potential changes in the memory while scanning. To tackle that potential issue, an algorithm of write barrier is implemented and will allow Go to track any pointer changes. The garbage finally stops the world, flushes the changes made on each write barrier to the work pool and performs the remaining marking. PS: Write Barrier 可以追踪标记期间变化的 对象并将它们加入到work pool

Go GC visualized 图解

触发时机

什么时候应该触发下一次 GC? Go 触发 GC 的时机

  1. 监控线程 runtime.sysmon 定时调用;
  2. 手动调用 runtime.GC 函数进行垃圾收集;
  3. 申请内存时 runtime.mallocgc 会根据堆大小判断是否调用; 上面这三个触发 GC 的地方最终都会调用 gcStart 执行 GC,但是在执行 GC 之前一定会先判断这次调用是否应该被执行,并不是每次调用都一定会执行 GC,runtime.gcTrigger中的 test 函数负责校验本次 GC 是否应该被执行。

目前触发 GC 的条件使用的是从 Go 1.5 时提出的调步(Pacing)算法,调步算法包含四个部分:

  1. GC 周期所需的扫描估计器
  2. 为用户代码根据堆分配到目标堆大小的时间估计扫描工作量的机制
  3. 用户代码为未充分利用 CPU 预算时进行后台扫描的调度程序
  4. GC 触发比率的控制器

两万字长文带你深入Go语言GC源码我们在测试的时候可以调用 runtime.GC来手动的触发 GC。但实际上,触发 GC 的入口一般不会手动调用。正常触发 GC 应该是在申请内存时会调用 runtime.mallocgc或者是 Go 后台的监控线程 sysmon 定时检查调用 runtime.forcegchelper

整体实现

gc阶段 说明 mutator状态
清扫终止 为下一个阶段的并发标记做准备工作,启动写屏障 STW
标记 与mutator并发执行,写屏障处于开启状态 并发
标记终止 保证一个周期内标记任务完成,停止写屏障 STW
内存清扫 将需要回收的内存归还到堆中,写屏障处于关闭状态 并发
内存归还 将过多的内存归还给操作系统,写屏障处于关闭状态 并发

为什么 Go 垃圾收集器需要 STW?PS:难道就为了开关写屏障

  1. 1st Stop The World(标记阶段之前):设置状态并打开写屏障。写屏障确保在 GC 运行时正确跟踪新的写入(这样它们就不会被意外释放或保留)。
  2. 2nd Stop The World(标记阶段之后):清理标记状态并关闭写屏障。

Go 垃圾回收(三)——三色标记法是什么鬼?

Go: How Does the Garbage Collector Mark the Memory?GC 从栈开始,递归地顺着指针找指针指向的对象,遍历内存。每个指针被加入到一个 work pool(type gcWork/workbuf struct) 中的队列。后台运行的标记 worker 从这个 work pool 中拿到前面出列的 指针,扫描这个对象然后把在这个对象里找到的指针加入到队列。归功于每一个 span 中的名为 gcmarkBits 的 bitmap 属性,三色被原生地实现了,bitmap 对 scan 中相应的 bit 设为 1 来追踪 对象。灰色和黑色在 gcmarkBits 中皆为 1,A grey object is one that is marked and on a work queue. A black object is marked and not on a work queue.

源码入口

数据结构

对象的标记与回收最终都落实到 mspan的 mark与sweep

type mspan struct {
    next *mspan             // next span in list, or nil if none
    prev *mspan             // previous span in list, or nil if none
    startAddr uintptr       // address of first byte of span aka s.base()
    npages    uintptr       // number of pages in span
    spanclass   spanClass     // size class and noscan (uint8)
    ...
    allocBits  *gcBits
	gcmarkBits *gcBits        // 实现 span 的颜色标记
}
func (s *mspan) sweep(preserve bool) bool {
    ...
}
// markBits.setMarked 就算是标记了
func (s *mspan) markBitsForIndex(objIndex uintptr) markBits {
    ...
}

对象的关系是图形接口,对象的标记要遍历对象图,遍历图时需要gcWork/worklist 作为辅助结构。

// 每一个P 都有一个 gcWork
// go/1.15.2/libexec/src/runtime/runtime2.go
type p struct {
    // gcw is this P's GC work buffer cache. The work buffer is filled by write barriers, drained by mutator assists, and disposed on certain GC state transitions.
	gcw gcWork
	wbBuf wbBuf     // wbBuf is this P's GC write barrier buffer. write barrier 缓存
    ...
}
// go/1.15.2/libexec/src/runtime/mgcwork.go
// work poll/worklist 的实现
type gcWork struct {
	// wbuf1 is always the buffer we're currently pushing to and popping from and wbuf2 is the buffer that will be discarded next.
	wbuf1, wbuf2 *workbuf
	bytesMarked uint64
	scanWork int64
	flushedWork bool
	pauseGen uint32
	putGen uint32
	pauseStack [16]uintptr
}

gcWork相当于每个 P 的私有缓存空间,存放需要被扫描的对象,为垃圾收集器提供了生产和消费任务的抽象,,该结构体持有了两个重要的工作缓冲区 wbuf1 和 wbuf2,当我们向该结构体中增加或者删除对象时,它总会先操作 wbuf1 缓冲区,一旦 wbuf1 缓冲区空间不足或者没有对象,会触发缓冲区的切换,而当两个缓冲区空间都不足或者都为空时,会从全局的工作缓冲区中插入或者获取对象。

gc 标记

Write barriers, root discovery, stack scanning, and object scanning produce pointers to grey objects. Scanning consumes pointers to grey objects, thus blackening them, and then scans them,potentially producing new pointers to grey objects. call gcw.put() to produce and gcw.tryGet() to consume.

// gcStart starts the GC.
// go/1.15.2/libexec/src/runtime/mgc.go
func gcStart(trigger gcTrigger) {
	
	mp := acquirem()
	mode := gcBackgroundMode
	...
	gcBgMarkStartWorkers()
	...
    // 设置全局变量中的GC状态为_GCmark
    // 然后启用写屏障
	setGCPhase(_GCmark)
	gcBgMarkPrepare() // Must happen before assist enable.
	gcMarkRootPrepare()
    ...
}
// gcBgMarkStartWorkers 会为全局每个 P 创建用于执行后台标记任务的 Goroutine,但是可以同时工作的只有 25%,调度器在调度循环 runtime.schedule中通过调用 gcController.findRunnableGCWorker方法进行控制。
func gcBgMarkStartWorkers() {
	// Background marking is performed by per-P G's. Ensure that each P has a background GC G.
	for _, p := range allp {
		if p.gcBgMarkWorker == 0 {
			go gcBgMarkWorker(p)
		}
	}
}
func gcBgMarkWorker(_p_ *p) {
	gp := getg()
	for {
        ...
		systemstack(func() {
			switch _p_.gcMarkWorkerMode {
			default:
				throw("gcBgMarkWorker: unexpected gcMarkWorkerMode")
			case gcMarkWorkerDedicatedMode:
				gcDrain(&_p_.gcw, gcDrainUntilPreempt|gcDrainFlushBgCredit)
				gcDrain(&_p_.gcw, gcDrainFlushBgCredit)
			case gcMarkWorkerFractionalMode:
				gcDrain(&_p_.gcw, gcDrainFractional|gcDrainUntilPreempt|gcDrainFlushBgCredit)
			case gcMarkWorkerIdleMode:
				gcDrain(&_p_.gcw, gcDrainIdle|gcDrainUntilPreempt|gcDrainFlushBgCredit)
			}
		})
        ...
	}
}
// gcDrain scans roots and objects in work buffers, blackening grey objects until it is unable to get more work. It may return before GC is done; it's the caller's responsibility to balance work from other Ps.
// go/1.15.2/libexec/src/runtime/mgcmark.go
func gcDrain(gcw *gcWork, flags gcDrainFlags) {
	if !writeBarrier.needed {
		throw("gcDrain phase incorrect")
	}
	gp := getg().m.curg
	// Drain root marking jobs.
	if work.markrootNext < work.markrootJobs {
		...
		markroot(gcw, job)
        ...
	}
	// Drain heap marking jobs.Stop if we're preemptible or if someone wants to STW.
	for !(gp.preempt && (preemptible || atomic.Load(&sched.gcwaiting) != 0)) {
		b := gcw.tryGetFast()
		if b == 0 {
			b = gcw.tryGet()
			if b == 0 {
				// Flush the write barrier buffer; this may create more work.
				wbBufFlush(nil, 0)
				b = gcw.tryGet()
			}
		}
		if b == 0 { // Unable to get work.
			break
		}
		scanobject(b, gcw)
        ...
    }
}

标记过程会将白色对象标记,并推进队列中变成灰色对象。在标记过程中,gc mark worker 会一边从工作队列(gcw)中弹出对象,一边把它的子对象 push 到工作队列(gcw)中,如果工作队列满了,则要将一部分元素向全局队列转移。

// scanobject scans the object starting at b, adding pointers to gcw. b must point to the beginning of a heap object or an oblet. scanobject consults the GC bitmap for the pointer mask and the spans for the size of the object.
func scanobject(b uintptr, gcw *gcWork) {
	// Find the bits for b and the size of the object at b.
	hbits := heapBitsForAddr(b)
	s := spanOfUnchecked(b)
	n := s.elemsize
	if n > maxObletBytes {
		// Large object. Break into oblets for better parallelism and lower latency.
        ...
	}
	var i uintptr
	for i = 0; i < n; i += sys.PtrSize {
		...
        // 取出指针的值
		obj := *(*uintptr)(unsafe.Pointer(b + i))
		if obj != 0 && obj-b >= n {
            // 根据地址值去堆中查找对象
			if obj, span, objIndex := findObject(obj, b, i); obj != 0 {
                 // 调用 greyobject 标记对象并把对象放到标记队列中
				greyobject(obj, b, i, span, gcw, objIndex)
			}
		}
	}
	gcw.bytesMarked += uint64(n)
	gcw.scanWork += int64(i)
}

标记 本质是 span.markBitsForIndex

// obj is the start of an object with mark mbits.If it isn't already marked, mark it and enqueue into gcw.
func greyobject(obj, base, off uintptr, span *mspan, gcw *gcWork, objIndex uintptr) {
	// obj should be start of allocation, and so must be at least pointer-aligned.
	mbits := span.markBitsForIndex(objIndex)
    // If marked we have nothing to do.
    if mbits.isMarked() {
        return
    }
    mbits.setMarked()
    // Mark span.
    arena, pageIdx, pageMask := pageIndexOf(span.base())
    if arena.pageMarks[pageIdx]&pageMask == 0 {
        atomic.Or8(&arena.pageMarks[pageIdx], pageMask)
    }
    // If this is a noscan object, fast-track it to black instead of greying it.
    if span.spanclass.noscan() {
        gcw.bytesMarked += uint64(span.elemsize)
        return
    }
	// Queue the obj for scanning. 
	if !gcw.putFast(obj) {
		gcw.put(obj)
	}
}

mark worker 扫描 ptr 并标记(自产自销) 同时消费 mutator 产生的灰色 ptr

内存屏障

barrier 本质是 : snippet of code insert before pointer modify。

// go/1.15.2/libexec/src/runtime/asm_amd64.s
// gcWriteBarrier performs a heap pointer write and informs the GC.
TEXT runtime·gcWriteBarrier(SB),NOSPLIT,$120
	...
    CALL	runtime·wbBufFlush(SB)
	...
    JMP	ret

在执行 Store, Move, Zero 等汇编操作的时候加入写屏障 runtime·gcWriteBarrier。写屏障这里其实也是和并发标记是一样的套路,wbBufFlush1 会遍历write barrier 缓存,然后调用 findObject 查找到对象之后使用标志位进行标记,最后将对象加入到 gcWork队列中进行扫描,并 重置 write barrier 缓存。

// go/1.15.2/libexec/src/runtime/mwbbuf.go
// wbBufFlush flushes the current P's write barrier buffer to the GC workbufs.
func wbBufFlush(dst *uintptr, src uintptr) {
    ...
    systemstack(func() {
        ...
        wbBufFlush1(getg().m.p.ptr())
    })
}
func wbBufFlush1(_p_ *p) {
    // 获取缓存的指针
    start := uintptr(unsafe.Pointer(&_p_.wbBuf.buf[0]))
    n := (_p_.wbBuf.next - start) / unsafe.Sizeof(_p_.wbBuf.buf[0])
    ptrs := _p_.wbBuf.buf[:n]
    _p_.wbBuf.next = 0  
    gcw := &_p_.gcw
    pos := 0
    for _, ptr := range ptrs {
        // 查找到对象
        obj, span, objIndex := findObject(ptr, 0, 0)
        if obj == 0 { continue } 
        mbits := span.markBitsForIndex(objIndex)
        // 判断是否已被标记
        if mbits.isMarked() { continue }
        // 进行标记
        mbits.setMarked()
        // 标记 span.
        arena, pageIdx, pageMask := pageIndexOf(span.base())
        if arena.pageMarks[pageIdx]&pageMask == 0 {
            atomic.Or8(&arena.pageMarks[pageIdx], pageMask)
        }
        if span.spanclass.noscan() {
            gcw.bytesMarked += uint64(span.elemsize)
            continue
        }
        ptrs[pos] = obj
        pos++
    }
    // 将对象加入到 gcWork队列中
    gcw.putBatch(ptrs[:pos]) 
    // 重置 write barrier 缓存
    _p_.wbBuf.reset()
}

后台清扫

相比复杂的标记流程,对象的回收和内存释放就简单多了。进程启动时会有两个特殊 goroutine:

  1. 一个叫 sweep.g,主要负责清扫死对象,合并相关的空闲页;
  2. 一个叫 scvg.g,主要负责向操作系统归还内存。

当 GC 的标记流程结束之后,sweep goroutine 就会被唤醒,进行清扫工作,其实就是循环执行 sweepone -> sweep。针对每个 mspan,sweep.g 的工作是将标记期间生成的 bitmap 替换掉分配时使用的 bitmap(用gcmarkBits 替换 allocBits)。

然后根据 mspan 中的槽位情况决定该 mspan 的去向:

  1. 如果 mspan 中存活对象数 = 0,也就是所有 element 都变成了内存垃圾,那执行 freeSpan -> 归还组成该 mspan 所使用的页,并更新全局的页分配器摘要信息;
  2. 如果 mspan 中没有空槽,说明所有对象都是存活的,将其放入 fullSwept 队列中;
  3. 如果 mspan 中有空槽,说明这个 mspan 还可以拿来做内存分配,将其放入 partialSweep 队列中。

之后“清道夫” scvg goroutine 被唤醒,执行线性流程,一路运行到将页内存归还给操作系统,也就是 bgscavenge -> pageAlloc.scavenge -> pageAlloc.scavengeOne -> pageAlloc.scavengeRangeLocked -> sysUnused -> madvise,最终还是要用 madvise 来将内存归还给操作系统。

数据结构

记录seeep 情况的数据结构

var sweep sweepdata
type sweepdata struct {
	lock    mutex
	g       *g
	parked  bool
	started bool

	nbgsweep    uint32  // 记录sweep 情况
	npausesweep uint32
}

源码分析

标记终止结束后,会进入 GCoff 阶段,并调用 gcSweep 来并发的使后台清扫器 Goroutine 与mutator并发执行。

回收就是 mheap 自己找到 一个可以回收的mspan,mspan.sweep 回收白色 object。mheap 和mspan 自己管分配和回收逻辑,由runtime 在合适的时机触发

func gcSweep(mode gcMode) {
    // 将 mheap_ 相关的标志位清零
    lock(&mheap_.lock)
    mheap_.sweepgen += 2
    mheap_.sweepdone = 0
    ...
    unlock(&mheap_.lock)
    ...
    // 唤醒后台清扫任务
    if sweep.parked {
        sweep.parked = false
        ready(sweep.g, 0, true)
    }
    ...
}
func gcenable() {
    // Kick off sweeping and scavenging.
    c := make(chan int, 2)
    // 设置异步清扫
    go bgsweep(c) 
    <-c 
}
func bgsweep(c chan int) {
    // 设置清扫 Goroutine 
    sweep.g = getg()
    // 循环清扫
    for {
        // 清扫一个span, 然后进入调度
        for sweepone() != ^uintptr(0) {
            sweep.nbgsweep++
            Gosched()
        }
        // 释放一些未使用的标记队列缓冲区到heap
        for freeSomeWbufs(true) {
            Gosched()
        }
        // 否则让后台清扫任务进入休眠
    }
}
func sweepone() uintptr {
    var s *mspan
    for {
        var s *mspan
        //查找一个 span 并释放
        s = mheap_.nextSpanForSweep()
        // 回收内存
        s.sweep(false) 
        ...
    }
}

对编程的影响

GC友好的代码:避免内存分配和赋值

  1. 尽量使用引用传递
  2. 初始化至合适的大小
  3. 复用内存

Go 语言垃圾回收的关键点:

  1. 无分代;因为无分代,当我们遇到一些需要在内存中保留几千万 kv map 的场景(比如机器学习的特征系统)时,就需要想办法降低 GC 扫描成本。
  2. 与应用执行并发;
  3. 协助标记流程;
    1. 当应用分配内存过快时,后台的 mark worker 无法及时完成标记工作,这时应用本身需要进行堆内存分配时,会判断是否需要适当协助 GC 的标记过程(gcAssistAlloc),防止应用因为分配过快发生 OOM。
    2. 因为有协助标记,当应用的 GC 占用的 CPU 超过 25% 时,会触发大量的协助标记,影响应用的延迟,这时也要对 GC 进行优化。
  4. 并发执行时开启 write barrier。

其它

万字长文深入浅出 Golang Runtime

现代计算机语言大多数都带有自动内存管理功能,也就是垃圾收集(GC)。程序可以使用堆中的内存,但我们没必要手工去释放。垃圾收集器可以知道哪些内存是垃圾,然后归还给操作系统。垃圾收集包括标记-清除、停止-拷贝两大类算法,停止-拷贝算法被认为是最快的垃圾收集算法,但停止-拷贝算法有缺陷STW(Stop-The-World)。 在自动内存管理领域的一个研究的重点,就是如何缩短这种停顿时间。以 Go 语言为例,它的停顿时间从早期的几十毫秒,已经降低到了几毫秒。甚至有一些激进的算法,力图实现不用停顿。增量收集和并发收集算法,就是在这方面的有益探索。

Go 的 GC 有且只会有一个参数进行调优,也就是我们所说的 GOGC,目的是为了防止大家在一大堆调优参数中摸不着头脑。 默认值是 100。这个 100 表示当内存的增加值小于等于 100% 时会强制进行一次垃圾回收。我们可以通过环境变量将这个值修改成 200,表示当内存增加 200% 时强制进行垃圾回收。或者将这个值设置为负数表示不进行垃圾回收。

小时候看动画片《一休》,提到有一次一休的师兄被惩罚去树林里数一下树有多少,结果下雨天摔倒啥的,很容易就忘了刚才数到哪了。后来一休想了个办法,拿来一捆绳子,每棵树上系一根绳子,数一下剩下多少根绳子,就知道有多少棵树了。

Garbage Collection In Go : Part I - Semantics Garbage Collection In Go : Part II - GC Traces Garbage Collection In Go : Part III - GC Pacing