Go GC
Go GC
“GC Roots” 的对象选择
JAVA的GC Root对象选择
- 虚拟机栈(栈帧中的本地变量表)中引用的对象；
- 本地方法栈(Native 方法)中引用的对象；
- 方法区中类静态属性引用的对象；
- 方法区中常量引用的对象；
- Java虚拟机内部引用；
- 所有被同步锁持有的对象
Go的GC Root对象
即全局变量和G Stack中的引用指针，简单来说就是全局量和go程中的引用指针
图中allocCount应为4，
gcmarkBits用于在gc时标记哪些对象存活, 每次gc以后gcmarkBits会变为allocBits.
STW
stop the world是gc的最大性能问题，对于gc而言，需要停止所有的内存变化，即停止所有的goroutine，等待gc结束之后才恢复
GC触发
- 阈值：默认内存扩大一倍，启动gc
- 定期：默认2min触发一次gc，src/runtime/proc.go:forcegcperiod
- 手动：runtime.gc()
Go V1.3版本之前
Go V1.3版本之前就是以上来实施的, 在执行GC的基本流程就是首先启动STW暂停，然后执行标记，再执行数据回收，最后停止STW，如图所示。
Go V1.3 做了简单的优化,将STW的步骤提前, 减少STW暂停的时间范围.如下所示
上图主要是将STW的步骤提前了异步，因为在Sweep清除的时候，可以不需要STW停止，因为这些对象已经是不可达对象了，不会出现回收写冲突等问题。
但是无论怎么优化，Go V1.3都面临这个一个重要问题，就是mark-and-sweep 算法会暂停整个程序 。
Go V1.5三色标记
- 灰色：对象已被标记，但这个对象包含的子对象未标记
- 黑色：对象已被标记，且这个对象包含的子对象也已标记，gcmarkBits对应的位为1（该对象不会在本次GC中被清理）
- 白色：对象未被标记，gcmarkBits对应的位为0（该对象将会在本次GC中被清理）
当前内存中有A~F一共6个对象，根对象a,b本身为栈上分配的局部变量，根对象a、b分别引用了对象A、B, 而B对象又引用了对象D，则GC开始前各对象的状态如下图所示:
- 初始状态下所有对象都是白色的。
- 接着开始扫描根对象a、b; 由于根对象引用了对象A、B,那么A、B变为灰色对象，接下来就开始分析灰色对象，分析A时，A没有引用其他对象很快就转入黑色，B引用了D，则B转入黑色的同时还需要将D转为灰色，进行接下来的分析。
- 灰色对象只有D，由于D没有引用其他对象，所以D转入黑色。标记过程结束
- 最终，黑色的对象会被保留下来，白色对象会被回收掉。
如上的三色标记，如果不启动STW，并发的垃圾回收，仍然会出现问题；
会造成对象丢失的情形：
条件1: 一个白色对象被黑色对象引用(黑色已遍历过，不会再次遍历)
条件2: 该白色对象没有被灰色引用，或灰色引用被破坏(灰色同时丢了该白色对象)
对象3会被回收
GC流程
- Stack scan：Collect pointers from globals and goroutine stacks。收集根对象（全局变量，和G stack），开启写屏障。全局变量、开启写屏障需要STW，G stack只需要停止该G就好，时间比较少。
- Mark: Mark objects and follow pointers。标记所有根对象, 和根对象可以到达的所有对象不被回收。
- Mark Termination: Rescan globals/changed stack, finish mark。重新扫描全局变量，和上一轮改变的stack（写屏障），完成标记工作。这个过程需要STW。
- Sweep: 按标记结果清扫span
目前整个GC流程会进行两次STW(Stop The World), 第一次是Stack scan阶段, 第二次是Mark Termination阶段.
- 第一次STW会准备根对象的扫描, 启动写屏障(Write Barrier)和辅助GC(mutator assist).
- 第二次STW会重新扫描部分根对象, 禁用写屏障(Write Barrier)和辅助GC(mutator assist).
从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； 1.9开始, 写屏障的实现使用了Hybrid Write Barrier, 大幅减少了第二次STW的时间.
屏障机制
(1) “强-弱” 三色不变式
强三色不变式：不存在黑色对象引用到白色对象的指针（破坏条件一）。
弱三色不变式：所有被黑色对象引用的白色对象都处于灰色保护状态（破坏条件二）。
(2) 插入写屏障
对象被引用时，触发的屏障（屏障，相当于拦截器，额外操作）；
具体操作: 在A对象引用B对象的时候，B对象被标记为灰色。(将B挂在A下游，B必须被标记为灰色)；
满足方式: 强三色不变式
栈空间的特点是容量小，但是要求响应速度快，因为函数调用弹出频繁使用；
所以“插入写屏障”机制，在栈空间的对象操作中不使用（启动STW，重新标记），而仅仅使用在堆空间使用；
(3) 删除写屏障
具体操作: 被删除的对象，如果自身为灰色或者白色，那么被标记为灰色。
满足: 弱三色不变式. (保护灰色对象到白色对象的路径不会断)
删除1到5的引用，那么5会被标记为灰色。
删除对象6即可
(4) 混合写屏障机制
Go V1.8之后混合写屏障机制
插入写屏障和删除写屏障的缺点：
插入写屏障：结束时需要STW来重新扫描栈，标记栈上引用的白色对象的存活；
删除写屏障：回收精度低，GC开始时STW扫描堆栈来记录初始快照，这个过程会保护开始时刻的所有存活对象；
1.混合写屏障规则
具体操作:
1）GC开始将栈上的对象全部引用扫描并标记为黑色 (之后不再进行第二次重复扫描，无需STW)。
2）GC期间，任何在栈上创建的新对象，均为黑色（保证栈全为黑色对象）。
3）被删除的对象标记为灰色（删除写屏障）。
4）被添加的对象标记为灰色（插入写屏障）。
满足: 变形的弱三色不变式
2. 混合写屏障的具体场景
1）GC开始，全部对象都为白色
2）扫描栈对象，全部标记为黑色
场景一： 对象被一个堆对象删除引用，成为栈对象的下游
场景二： 对象被一个栈对象删除引用，成为另一个栈对象的下游
场景三：对象被一个堆对象删除引用，成为另一个堆对象的下游
场景四：对象从一个栈对象删除引用，成为另一个堆对象的下游
Golang中的混合写屏障满足弱三色不变式，结合了删除写屏障和插入写屏障的优点，只需要在开始时并发扫描各个goroutine的栈，使其变黑并一直保持，这个过程不需要STW，而标记结束后，因为栈在扫描后始终是黑色的，也无需再进行re-scan操作了，减少了STW的时间。
总结
以上便是Golang的GC全部的标记-清除逻辑及场景演示全过程。
GoV1.3- 普通标记清除法，整体过程需要启动STW，效率极低。
GoV1.5- 三色标记法， 堆空间启动写屏障，栈空间不启动，全部扫描之后，需要重新扫描一次栈(需要STW)，效率普通
GoV1.8-三色标记法，混合写屏障机制， 栈空间不启动，堆空间启动。整个过程几乎不需要STW，效率较高。
