GC全场景分析

GC全场景分析

首先，GC 是一种垃圾处理机制。实现的方式由很多种算法：标记-清除法、三色标记法、屏障机制、混合写屏障机制等。下面，我将从go的角度，go实现过的gc算法进行学习记录和分析。

标记-清除法

标记 - 清除法核心流程与 STW 机制

核心动作：STW（Stop The World）

• 定义：暂停所有应用程序线程，仅允许 GC 线程执行，确保垃圾回收过程中对象引用关系不变。
• 目的：
  ✅ 避免并发修改导致 浮动垃圾（应回收的对象未被标记）或 误标记（不可达对象被错误标记为存活）。
  ✅ 简化 GC 算法逻辑，无需处理多线程竞争问题。

标记 - 清除法四步流程

1. STW 启动（暂停用户线程）

• 操作
  • GC 线程向所有应用线程发送暂停请求。
  • 线程执行到 安全点（Safepoint，如方法调用、循环结束处） 时主动暂停，确保此时对象引用稳定。
• 关键点
  • 安全点机制避免线程在非稳定状态被暂停（如正在修改对象引用时）。

2. 标记可达对象（从根集合出发）

• 标记逻辑
  • 从 根集合（Root Set） 开始，递归遍历所有 可达对象，标记为 存活（而非 “空闲”）。
  • 根集合组成：
    ▶ 栈内存：线程栈中的局部变量、方法参数（对象引用）。
    ▶ 方法区：静态变量、类的 Class 对象。
    ▶ 寄存器：CPU 寄存器中存储的引用。
    ▶ JNI 引用：本地代码持有的全局对象引用。
• 核心作用：
  通过根集合确定所有存活对象，未被标记的对象判定为可回收垃圾。

3. 清除未标记对象（回收堆内存）

• 操作：
  扫描整个堆内存，释放所有未被标记的对象占用的空间。
• 副作用：
  ❗ 产生 内存碎片（不连续的空闲块），可能导致后续大对象分配失败，触发更多 GC。

4. 恢复用户线程（结束 STW）

• 操作：
  GC 完成后，通知所有应用线程从安全点继续执行。
• 影响：
  STW 期间应用无响应，过长的 STW 会导致系统延迟升高（如实时系统、高并发服务）。

根集合（Root Set）深度解析

1. 本质与作用

• 定义：GC 标记的 初始起点集合，包含所有 直接可达的对象引用。
• 核心作用：
  ✅ 作为递归遍历的起点，确保所有存活对象被标记。
  ✅ 隔离堆内存：GC 仅需关注根集合可达的对象，无需扫描整个堆。

2. 分布与组成

内存区域	根集合成员示例
栈内存	方法内的局部变量（如Object obj = new Object();）
方法区	静态变量（如static Object staticObj;）、类的 Class 对象
寄存器	CPU 寄存器中存储的对象引用（由 JVM 底层管理）
JNI 本地堆	本地代码通过NewGlobalRef创建的全局引用

3. 与 GC 的关键关系

• 标记阶段的起点

  根集合 → 对象A → 对象B → 对象C（标记为存活）  
  ↘ 对象D（标记为存活）  
  

  未被根集合直接或间接引用的对象（如孤立对象）将被清除。

• STW 的必要性：
  若不暂停线程，根集合中的引用可能在标记过程中被修改（如赋值为null），导致标记结果错误。

对比与总结

维度	标记 - 清除法	根集合特点
STW 作用	确保标记 / 清除阶段对象引用不变	分布在栈、方法区、寄存器等多区域
标记对象	存活对象（可达对象）	包含静态变量、局部变量等直接引用
内存碎片	会产生	无需移动对象，仅标记 - 清除
优化方向	结合分代 GC、增量标记减少 STW 时间	减少静态变量引用，避免长生命周期对象

核心结论：

• 标记 - 清除法通过 STW 和根集合实现垃圾回收，适用于简单场景，但需注意内存碎片问题。
• 根集合是 GC 的 “起点”，其组成与内存分布直接影响 GC 效率，合理管理根引用（如避免冗余静态变量）可优化 GC 性能。

三色标记法与屏障机制

基本概念

• 三色定义
  • 白色：初始状态，未被垃圾回收器（GC）访问的对象
  • 灰色：已被 GC 访问，但内部引用的对象还未全部处理完
  • 黑色：已被 GC 完全处理，其引用的对象均已扫描完成

标记流程

1. 初始标记（STW 阶段）
   • 暂停所有用户线程
   • 从根集合（全局变量、栈上变量等）出发，标记所有直接可达对象为灰色，并放入灰色队列
2. 并发标记
   • 用户线程与 GC 线程同时运行
   • 处理灰色队列
     • 取出灰色对象，将其引用的白色对象标记为灰色并加入队列
     • 该灰色对象标记为黑色
   • 写屏障
     • 删除屏障：当灰色对象删除对白色对象的引用时，强制将白色对象标记为灰色
     • 插入屏障：黑色对象新增白色对象引用时，将白色对象标记为灰色
3. 最终标记（STW 阶段）
   • 短暂暂停用户线程
   • 处理并发阶段遗留的少量标记任务，确保标记完整性
4. 清除阶段
   • 回收所有白色对象（即不可达对象）
   • 重置黑色和灰色对象为白色，为下次 GC 做准备

混合写屏障机制

Go 语言从 1.8 版本开始引入混合写屏障，主要解决传统屏障的局限性：

• 插入屏障（Insert Barrier）：黑色对象插入白色对象引用时需标灰，但栈上对象扫描需 STW（因栈不适用写屏障）。
• 删除屏障（Delete Barrier）：灰色对象删除白色对象引用时需标灰，但可能导致浮动垃圾（本轮 GC 未回收）。

混合写屏障的目标：

1. 减少 STW 时间：避免扫描栈时的 STW。
2. 简化 GC 流程：合并插入与删除屏障的优势。

混合写屏障的核心规则

混合写屏障同时应用以下两条规则：

1. 插入屏障：
   当黑色对象引用白色对象时，强制将白色对象标记为灰色。

   A(黑).field = B(白) → B被标记为灰色
   

2. 删除屏障（弱化版）：
   当对象（无论黑白）**删除对**白色对象的引用时，将该白色对象标记为灰色。

   A(黑/灰).field = nil（原指向B(白)） → B被标记为灰色
   

3. 栈保护：
   栈上对象的引用变更不触发写屏障，但 GC 开始时会对栈进行并发扫描，扫描完成后栈上对象视为黑色（不再二次扫描）。

混合写屏障的 GC 流程改进

1. 初始标记（STW）
   • 扫描根对象（全局变量、寄存器），标记直接可达对象为灰色。
   • 栈扫描：并发扫描所有 goroutine 的栈，标记栈上对象（但不扫描其引用的对象）。
2. 并发标记
   • 处理灰色队列，标记对象为黑色。
   • 写屏障确保：
     ▶ 黑色对象新增白色引用时，白色对象被标灰。
     ▶ 对象删除白色引用时，白色对象被标灰。
   • 栈处理：
     栈上对象在初始扫描后视为黑色，后续变更不触发屏障（依赖初始扫描的正确性）。
3. 最终标记（STW）
   • 仅需短暂 STW，处理少量未完成的标记任务（如栈上残留的白色对象），无需重新扫描栈。
4. 清除阶段
   • 并发清除所有白色对象。

关键优势

1. 减少 STW 时间
   • 栈扫描与用户线程并发进行，仅需初始 STW 扫描一次，无需像插入屏障那样在标记结束后重新 STW 扫描栈。
2. 简化 GC 流程
   • 统一处理堆上的插入和删除操作，逻辑更简洁。
3. 降低内存压力
   • 相比删除屏障，混合写屏障减少了浮动垃圾的产生（因插入屏障的存在）。

与传统屏障的对比

特性	插入屏障	删除屏障	混合写屏障
栈扫描 STW	需要两次（初始 + 最终）	仅初始一次	仅初始一次（扫描一次栈全黑，使得无需二次扫描）
浮动垃圾	无	有（下轮 GC 回收）	极少（插入屏障抑制）
写屏障复杂度	仅处理插入操作	仅处理删除操作	同时处理插入和删除
Go 版本	1.5-1.7	历史方案（未实际使用）	1.8+

示例说明

// 场景：黑色对象A引用白色对象B，同时灰色对象C删除对B的引用
A.field = B  // 混合写屏障：B被标记为灰色（插入规则）
C.field = nil // 混合写屏障：B已被标灰（插入规则已处理），无需重复操作

通过混合写屏障，B 在被 A 引用时已被标灰，即使 C 删除引用，B 仍会被正确标记为存活对象。

总结

混合写屏障是 Go 语言 GC 的核心优化，通过合并插入与删除屏障的优势，大幅减少 STW 时间，同时降低内存压力。其核心设计思想是：

1. 并发栈扫描：避免栈操作的写屏障，通过初始 STW 扫描一次栈。
2. 堆上双重保护：通过插入和删除规则，确保引用变更时对象被正确标记。
3. 最终 STW 优化：仅需短暂暂停处理残留任务，无需重新扫描栈。

这使得 Go 语言的 GC 在保证正确性的同时，实现了极致的低延迟，特别适合高并发场景。