go 垃圾回收设计与实现图解

以后都在 github 更新，请戳 go 垃圾回收)

相关位置文件

src/runtime/mgc.go
src/runtime/malloc.go
src/runtime/mgcmark.go
src/runtime/mbitmap.go

概览

本文侧重点是从源码角度分析gc的不同阶段的实现, 在此之前你需要了解三色标记法和 go 中的垃圾回收 (参加更多资料中的文章)

同时也需要对 go 内存分配有基本的了解

go tool compile -S -N example_new.go > file.s
go run -gcflags '-N -l' example_new.go

// example_new.go
package main

func i() *int {
	r := new(int)
	return r
}

func main() {
	i()
}

我们查看 file.s 可以发现编译器会把 new(int) 这行调用到 runtime.newobject, 找到 runtime.newobject 的函数定义, 我们可以发现我们需要的空间都会从 span 中获取到, 如果你申请的对象类型中不包含指针, 那么会从 noscan span 中获取, 如果你申请的对象类型中包含了指针, 就会从 scan span 中获取, 并且对应的 heapArena 结构中的 bitmap 也会被标记上, bitmap 被标记后, gc 在扫描对应地址的时候就可以查询这个 bitmap 看对应的地址是否是指向其他地方的指针

gc启动时机

src/runtime/mgc.go 定义的 gcStart 有三处入口

标准的入口在 src/runtime/mgc.go 的GC 函数中, 另外两个在 src/runtime/malloc.go 的 mallocgc 和 src/runtime/proc.go 的 forcegchelper

mallocgc 是用来申请空间的函数, 他在申请空间的末尾会检查是否需要启动 gc
forcegchelper 会启动一个 goroutine, 并且在卡在一个无限循环中等待执行 gc 的信号, 这个信号是 sysmon 发出的, 所以 sysmon 会隔一段时间检查是否需要触发 gc
GC 就是 runtime.GC() , 他会进行一轮垃圾回收, 并且直到垃圾回收结束之前都阻塞调用方, 这个调用有可能阻塞住整个进程(STW), 他是自行触发垃圾回收的入口

gc工作机制 markroot

gcBgMarkStartWorkers 会启动 N 个 goroutines, 总共会有 N 个 goroutines 同时在运行 gcBgMarkWorker

gcBgMarkWorker 会调用 gcDrain, 这个方法又往下调用到 markroot 和 scanobject

我们首先来看 markroot

有多个 goroutine 会同时运行 markroot，整数 job 是一个全局变量, 每个数字表示在当每个 module 对象中一段特定的内存范围

每个 goroutine 都在当前循环中原子的加这个值, 加成功了则表示获取到了这个数字对应的这一段范围的标记工作, 之后就会遍历所有的 module 对象, 并调用 markroot 去对这一段范围内的内存进行标记

scanblock

markroot 会调用到 scanblock, 下图展示了 scanblock 的工作机制

ptrmask 中的每个 bit 表示了当前的指针(p ) 是否是正常在使用的指针

如果是一个正常的指针, 并且表示了一个 heap 中分配的对象, 那么就会调用 greyobject 方法

如果当前对象所属的 span 是 noscan 的, 则标记为灰色就结束

如果当前对象所属的 span 是 scan 的, greyobject 会把当前对象继续放到 gc 扫描的队列中

scanobjct

在 markroot 之后, gcDrain 会在一个循环中调用 scanobject

// 把 heap 中剩下未标记的对象标记完 
// 如果被抢占了或者其他协程想要 STW 则停止
for !(gp.preempt && (preemptible || atomic.Load(&sched.gcwaiting) != 0)) {
  b := gcw.tryGetFast()
  // check b(skip)
  scanobject(b, gcw)
  // ...
}

在 for 循环中, gcw.tryGetFast 会返回一个指针, 这个指针就是上一个过程中 greyobject 放入的

这个指针是 b, 对应的 arena, span 可以通过下述代码获得

如果你不了解 heapArena /span/bitmap 是什么, 请参考 go 内存管理机制

ai := arenaIndex(b)
ha := h.arenas[ai.l1()][ai.l2()]

通过 b 的值, 我们又能获取到 b 所属的 span, 对应的 heapArena 和 heapArena 中存储的 bitmap, span 中存储了被指向的大小, bitmap 中存储了这个值是否是指针, 通过这些信息, 我们逐字节扫描完 b 指向的对象, 如果他是指针则继续放入队列, 如果不是则跳过, 重复上述循环即可完成扫描

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