Go的三色標記GC

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三色標記

三色標記的原理如下：
整個進程空間裡申請每個對象佔據的記憶體可以視為一個圖， 初始狀態下每個記憶體對象都是白色標記，先stop the world，將掃描任務作為多個並發的goroutine立即入隊給調度器，進而被CPU處理，第一輪先掃描所有可達的記憶體對象，標記為灰色放入隊列；第二輪可以恢複start the world，將第一步隊列中的對象引用的對象置為灰色排入佇列，一個對象引用的所有對象都置灰並排入佇列後，這個對象才能置為黑色並從隊列之中取出。迴圈往複，最後隊列為空白時，整個圖剩下的白色記憶體空間即不可到達的對象，即沒有被引用的對象； 第三輪再次stop the world，將第二輪過程中新增對象申請的記憶體進行標記（灰色），這裡使用了writebarrier（寫屏障）去記錄這些記憶體的身份；

整個gc的流程如：

注意到：
mark 有兩個過程。

首先從 root 開始遍曆，root 包括全域指標和 goroutine 棧上的指標，標記為灰色。遍曆灰色隊列。

re-scan 全域指標和棧。因為 mark 和使用者程式是並行的，所以在過程 1 的時候可能會有新的對象分配，這個時候就需要通過寫屏障（write barrier）記錄下來。re-scan 再完成檢查一下。

Stop The World 有兩個過程。

第一個是 GC 將要開始的時候，這個時候主要是一些準備工作，比如 enable write barrier。

第二個過程就是上面提到的 re-scan 過程。如果這個時候沒有 stw，那麼 mark 將無休止。

mark完畢後start the world進行並行清理，對於並行清理，GC 初始化的時候就會啟動 bgsweep()這個協程並一直在後台阻塞， 開始清理時將這個協程喚醒並給主M去做並發的sweep。

記憶體管理都是基於 span 的，mheap_ 是一個全域的變數，所有分配的對象都會記錄在 mheap_ 中。在標記的時候，我們只要找到對對象對應的 span 進行標記，清掃的時候掃描 span，沒有標記的 span 就可以回收了。

另外：1.8以後的golang將第一步的stop the world 也取消了，這又是一次最佳化。

寫屏障

關於寫屏障的用處 如下面的例子,這個例子修改自知乎上的一個問答，在此表示感謝：

GC前：
stack->a->b ； a為棧中申請的對象，b為堆中申請的對象，a對象中存在對b的引用；

stack->c ; c 也是棧中申請的對象。

stop the world， mark。 這裡a，c都會被標記為灰色；b為白色
start the world 反覆mark。
由於是並發的mark，我們假設c先被處理，c沒有引用其他對象，所以直接置黑，從隊列中取出；此時c為黑色，a為灰色，b為白色

假設這時使用者做了如下操作：

a=nil
new(d);
c->b; 即，將a中對b的引用置為空白（你也可以理解為將a中對其他任何記憶體對象的引用都清空）,隨即申請d對象，然後在c中增加對b的引用。

由於c已經是黑色，所以不會再去掃描他，那麼本次記憶體掃描就不可能找得到b；而d對象由於剛申請出來，還沒有被引用，所以這裡只對a進行了mark：a：黑色，b：白色；c:黑色；d：白色

這時使用者又做了：
b->d； 由於b無法被掃描到，這裡顯然d也不會被掃描到。 這樣的狀況會一直持續到這輪反覆mark結束（即灰色隊列為空白）。

stop the world， mark termination。 sweep。 整個GC結束， b，d的記憶體空間都是白色，所以在sweep時會被清理掉。如何避免這種誤清理呢？

寫屏障的功能就是在 c->b發生時，對b做一個標記， 以及在a->d發生時，對d做一個標記，這樣，在進入第二次stop the world， mark termination時，這時候我們確保不會再有新增記憶體的引用操作，在進行一次反覆mark，雖然無法通過c->b->d來掃描b和d，但是由於寫屏障的標記，我們就能將b，d這兩個殘留的白色對象進行掃描，標記為灰色， 並最終標記為黑色。

簡而言之，寫屏障的作用大致是： 可以捕獲 '沒有STW的時候並發mark期間對白色對象建立立的記憶體引用'。