Go的三色标记GC

三色标记

三色标记的原理如下：
整个进程空间里申请每个对象占据的内存可以视为一个图， 初始状态下每个内存对象都是白色标记，先stop the world，将扫描任务作为多个并发的goroutine立即入队给调度器，进而被CPU处理，第一轮先扫描所有可达的内存对象，标记为灰色放入队列；第二轮可以恢复start the world，将第一步队列中的对象引用的对象置为灰色加入队列，一个对象引用的所有对象都置灰并加入队列后，这个对象才能置为黑色并从队列之中取出。循环往复，最后队列为空时，整个图剩下的白色内存空间即不可到达的对象，即没有被引用的对象； 第三轮再次stop the world，将第二轮过程中新增对象申请的内存进行标记（灰色），这里使用了writebarrier（写屏障）去记录这些内存的身份；

整个gc的流程如下图：

注意到：
mark 有两个过程。

首先从 root 开始遍历，root 包括全局指针和 goroutine 栈上的指针，标记为灰色。遍历灰色队列。

re-scan 全局指针和栈。因为 mark 和用户程序是并行的，所以在上一步执行的时候可能会有新的对象分配，这个时候就需要通过写屏障（write barrier）记录下来。re-scan 再完成检查一下。

Stop The World 有两个过程。

第一个是 GC 将要开始的时候，这个时候主要是一些准备工作，比如 enable write barrier。

第二个过程就是上面提到的 re-scan 过程。如果这个时候没有 stw，那么 mark 将无休止。

mark完毕后start the world进行并行清理，对于并行清理，GC 初始化的时候就会启动 bgsweep()这个协程并一直在后台阻塞， 开始清理时将这个协程唤醒并给主M去做并发的sweep。

内存管理都是基于 span 的，mheap_ 是一个全局的变量，所有分配的对象都会记录在 mheap_ 中。在标记的时候，我们只要找到对对象对应的 span 进行标记，清扫的时候扫描 span，没有标记的 span 就可以回收了。

另外：1.8以后的golang将第一步的stop the world 也取消了，这又是一次优化：

写屏障

关于写屏障的用处 如下面的例子,这个例子修改自知乎上的一个问答，在此表示感谢：

GC前：
stack->a->b ； a为栈中申请的对象，b为堆中申请的对象，a对象中存在对b的引用；

stack->c ; c 也是栈中申请的对象。

stop the world， mark。 这里a，c都会被标记为灰色；b为白色
start the world 反复mark。
由于是并发的mark，我们假设c先被处理，c没有引用其他对象，所以直接置黑，从队列中取出；此时c为黑色，a为灰色，b为白色

假设这时用户做了如下操作：

a=nil
new(d);
c->b; 即，将a中对b的引用置为空（你也可以理解为将a中对其他任何内存对象的引用都清空）,随即申请d对象，然后在c中增加对b的引用。

由于c已经是黑色，所以不会再去扫描他，那么本次内存扫描就不可能找得到b；而d对象由于刚申请出来，还没有被引用，所以这里只对a进行了mark：a：黑色，b：白色；c:黑色；d：白色

这时用户又做了：
b->d； 由于b无法被扫描到，这里显然d也不会被扫描到。 这样的状况会一直持续到这轮反复mark结束（即灰色队列为空）。

stop the world， mark termination。 sweep。 整个GC结束， b，d的内存空间都是白色，所以在sweep时会被清理掉。如何避免这种误清理呢？

写屏障的功能就是在 c->b发生时，对b标记为灰色，入队， 以及在b->d发生时，对d标记为灰色，入队，这样，在整个反复mark阶段结束时，我们能确保这段时间新发生的对白色对象的内存引用操作都被处理到（变黑），b和d就不会被误清理。写屏障在第一次扫描完，标记入队后，反复标记时开启写屏障， sweep前将写屏障关闭。

简而言之，写屏障的作用大致是： 可以确保不会有对象A直接引用白色对象B（发生时将白色对象置灰）。这里有个小细节，go 1.5中不管对象A是什么颜色，只要他引用了对象B，就将B置灰。