学习Golang GC 必知的几个知识点

对于gc的介绍主要位于 [src/runtime/mgc.go](https://github.com/golang/go/blob/go1.16.2/src/runtime/mgc.go)，以下内容是对注释的翻译。

GC 四个阶段

通过源文件注释得知GC共分四个阶段：

1. GC 清理终止 (GC performs sweep termination） a. Stop the world, 每个P 进入GC safepoint（安全点），从此刻开始，万物静止。 b. 清理未被清理的span，如果GC被强制执行时才会出现这些未清理的span
2. GC 标记阶段（GC performs the mark phase） a. 将gc标记从 _GCoff 修改为 _GCmark，开启写屏障（write barries）和 协助助手（mutator assists），将根对象放入队列。 在STW期间，在所有P都启用写屏障之前不会有什么对象被扫描。 b. Start the world（恢复STW）。标记工作线程和协助助手并发的执行。对于任何指针的写操作和指针值，都会被写屏障覆盖，使新分配的对象标记为黑色。 c. GC 执行根标记工作。包括扫描所有的栈，全局对象和不在堆数据结构中的堆指针。每扫描一个栈就会导致goroutine停止，把在栈上找到的所有指针置灰色，然后再恢复goroutine运行。 d. GC 遍历队列中的每个灰色对象，扫描完以后将灰色对象标记为黑色，并将其指向的对象标记为灰色。 e. 由于GC工作在分布本地缓存中，采用了一种 “分布式终止算法（distributed termination algorithm）” 来检测什么时候没有根对象或灰色对象。在这个时机GC会转为标记中止（mark termination）。
3. 标记终止（GC performs mark termination） a. Stop the world，从此刻开始，万物静止 b. 设置阶段为 _GCmarktermination，并禁用 工作线程worker和协助助手 c. 执行清理，flush cache
4. 清理阶段（GC performs the sweep phase） a. 设置清理阶段标记为 _GCoff，设置清理状态禁用写屏障 b. Start the world（恢复STW），从现在开始，新分配的对象是白色的。如有必要，请在请在使用前扫描清理 c. GC在后台执行并发扫描，并响应分配

整个GC共四个阶段，每次开始时从上到下执行。第一步是清理上次未清理完的span，而不是直接标记阶段。具体的流程可以参考 runtime.GC() 函数

在每轮GC都会有两次STW发生，每个阶段都会发生一次STW相关的操作。

并发清理(Concurrent sweep)

清除阶段与程序执行是并发执行的。后台有一个goroutine并发的对heap进行清理，按span为是小单位一个接一个的清理。当 STW 标记终止后，所有的span将被标记为”needs seeping“

后台goroutine进行清理时，是按span为单位，one-by-one 的执行。

为了避免当存在未清理的span时，应用会向系统申请更多的内存的问题，当一个goroutine需要另外span时(当前goroutine对应的P没有需要的span)，它首先通过清理的方式获取相应的内存大小。当一个goroutine需要分配一些小对象 span 时，会先清理相同大小span ，直到至少释放了一个对象；当一个goroutine需要从heap上分配大对象时，它会清理span，直到至少释放一样大小的页到heap上。有一种情况例外：如果一个 goroutine 清理释放了两个不相邻的one-page span到堆上，将会导致重新分配一个新的two-page span，

GC速率(GC Rate)

下次GC是在我们分配了与已经使用的内存量成一定比例的之后。此值受 GOGC 环境变量控制，默认为100，即增涨率为100%。如果 GOGC=100 ，当前我们使用了4M，下次GC时将会在内存达到8M的时候发生（标记在 memstats.next_gc 变量）。这使GC成本保持线性与分配成本的比例。调整GOGC只会改变线性常数（以及使用的额外内存量）。

GC 注意事项

GC期间，将阻塞任何的调用，直到GC结束，即STW期间万物静止的状态，所以会阻塞整个程序的运行。

一次完整的GC包含 sweep termination, mark，mark termination 和 sweep 。对于 runtime.GC() 函数来说直到这四个阶段全部完成才会返回继续执行，否则程序将一直处于阻塞状态。对于要切换到 sweep 阶段，必须等待 mark termination 阶段全部完成才可以。

系统会记录GC的次数，这个值会在进入 sweep 阶段时更新+1。

对于触发GC 的几个条件请参考： https://blog.haohtml.com/archives/23911

GC 的三种模式

三种模式：

• （1）gcBackgroundMode，默认模式，标记与清扫过程都是并发执行的；
• （2）gcForceMode，只在清扫阶段支持并发；
• （3）gcForceBlockMode，GC全程需要STW。

// gcMode indicates how concurrent a GC cycle should be.
type gcMode int

const (
	gcBackgroundMode gcMode = iota // concurrent GC and sweep
	gcForceMode                    // stop-the-world GC now, concurrent sweep
	gcForceBlockMode               // stop-the-world GC now and STW sweep (forced by user)
)

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