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GC全场景分析

news 来源：原创 2025/7/28 12:38:10

GC全场景分析

文章目录

GC全场景分析
- 标记-清除法
- - **标记 - 清除法核心流程与 STW 机制**
  - **标记 - 清除法四步流程**
  - - **1. STW 启动（暂停用户线程）**
    - **2. 标记可达对象（从根集合出发）**
    - **3. 清除未标记对象（回收堆内存）**
    - **4. 恢复用户线程（结束 STW）**
  - **根集合（Root Set）深度解析**
  - - **1. 本质与作用**
    - **2. 分布与组成**
    - **3. 与 GC 的关键关系**
  - **对比与总结**
- 三色标记法与屏障机制
- - - **基本概念**
    - **标记流程**
- 混合写屏障机制
- - - **混合写屏障的核心规则**
    - **混合写屏障的 GC 流程改进**
    - **关键优势**
    - **与传统屏障的对比**
    - **示例说明**
  - **总结**

首先，GC 是一种垃圾处理机制。实现的方式由很多种算法：标记-清除法、三色标记法、屏障机制、混合写屏障机制等。下面，我将从go的角度，go实现过的gc算法进行学习记录和分析。

标记-清除法

标记 - 清除法核心流程与 STW 机制

核心动作：STW（Stop The World）

定义：暂停所有应用程序线程，仅允许 GC 线程执行，确保垃圾回收过程中对象引用关系不变。
目的：
✅ 避免并发修改导致 浮动垃圾（应回收的对象未被标记）或 误标记（不可达对象被错误标记为存活）。
✅ 简化 GC 算法逻辑，无需处理多线程竞争问题。

标记 - 清除法四步流程

1. STW 启动（暂停用户线程）

操作
- GC 线程向所有应用线程发送暂停请求。
- 线程执行到 安全点（Safepoint，如方法调用、循环结束处） 时主动暂停，确保此时对象引用稳定。
关键点
- 安全点机制避免线程在非稳定状态被暂停（如正在修改对象引用时）。

2. 标记可达对象（从根集合出发）

标记逻辑
- 从 根集合（Root Set） 开始，递归遍历所有 可达对象，标记为存活（而非 “空闲”）。
- 根集合组成：
  ▶ 栈内存：线程栈中的局部变量、方法参数（对象引用）。
  ▶ 方法区：静态变量、类的 Class 对象。
  ▶ 寄存器：CPU 寄存器中存储的引用。
  ▶ JNI 引用：本地代码持有的全局对象引用。
核心作用：
通过根集合确定所有存活对象，未被标记的对象判定为可回收垃圾。

3. 清除未标记对象（回收堆内存）

操作：
扫描整个堆内存，释放所有未被标记的对象占用的空间。
副作用：
❗ 产生 内存碎片（不连续的空闲块），可能导致后续大对象分配失败，触发更多 GC。

4. 恢复用户线程（结束 STW）

操作：
GC 完成后，通知所有应用线程从安全点继续执行。
影响：
STW 期间应用无响应，过长的 STW 会导致系统延迟升高（如实时系统、高并发服务）。

根集合（Root Set）深度解析

1. 本质与作用

定义：GC 标记的 初始起点集合，包含所有 直接可达的对象引用。
核心作用：
✅ 作为递归遍历的起点，确保所有存活对象被标记。
✅ 隔离堆内存：GC 仅需关注根集合可达的对象，无需扫描整个堆。

2. 分布与组成

内存区域	根集合成员示例
栈内存	方法内的局部变量（如`Object obj = new Object();`）
方法区	静态变量（如`static Object staticObj;`）、类的 Class 对象
寄存器	CPU 寄存器中存储的对象引用（由 JVM 底层管理）
JNI 本地堆	本地代码通过`NewGlobalRef`创建的全局引用

3. 与 GC 的关键关系

标记阶段的起点

根集合 → 对象A → 对象B → 对象C（标记为存活）  
↘ 对象D（标记为存活）

未被根集合直接或间接引用的对象（如孤立对象）将被清除。

STW 的必要性：
若不暂停线程，根集合中的引用可能在标记过程中被修改（如赋值为null），导致标记结果错误。

对比与总结

维度	标记 - 清除法	根集合特点
STW 作用	确保标记 / 清除阶段对象引用不变	分布在栈、方法区、寄存器等多区域
标记对象	存活对象（可达对象）	包含静态变量、局部变量等直接引用
内存碎片	会产生	无需移动对象，仅标记 - 清除
优化方向	结合分代 GC、增量标记减少 STW 时间	减少静态变量引用，避免长生命周期对象

核心结论：

标记 - 清除法通过 STW 和根集合实现垃圾回收，适用于简单场景，但需注意内存碎片问题。
根集合是 GC 的 “起点”，其组成与内存分布直接影响 GC 效率，合理管理根引用（如避免冗余静态变量）可优化 GC 性能。

三色标记法与屏障机制

基本概念

三色定义
- 白色：初始状态，未被垃圾回收器（GC）访问的对象
- 灰色：已被 GC 访问，但内部引用的对象还未全部处理完
- 黑色：已被 GC 完全处理，其引用的对象均已扫描完成

标记流程

初始标记（STW 阶段）
- 暂停所有用户线程
- 从根集合（全局变量、栈上变量等）出发，标记所有直接可达对象为灰色，并放入灰色队列
并发标记
- 用户线程与 GC 线程同时运行
- 处理灰色队列
  - 取出灰色对象，将其引用的白色对象标记为灰色并加入队列
  - 该灰色对象标记为黑色
- 写屏障
  - 删除屏障：当灰色对象删除对白色对象的引用时，强制将白色对象标记为灰色
  - 插入屏障：黑色对象新增白色对象引用时，将白色对象标记为灰色
最终标记（STW 阶段）
- 短暂暂停用户线程
- 处理并发阶段遗留的少量标记任务，确保标记完整性
清除阶段
- 回收所有白色对象（即不可达对象）
- 重置黑色和灰色对象为白色，为下次 GC 做准备

混合写屏障机制

Go 语言从 1.8 版本开始引入混合写屏障，主要解决传统屏障的局限性：

插入屏障（Insert Barrier）：黑色对象插入白色对象引用时需标灰，但栈上对象扫描需 STW（因栈不适用写屏障）。
删除屏障（Delete Barrier）：灰色对象删除白色对象引用时需标灰，但可能导致浮动垃圾（本轮 GC 未回收）。

混合写屏障的目标：

减少 STW 时间：避免扫描栈时的 STW。
简化 GC 流程：合并插入与删除屏障的优势。

混合写屏障的核心规则

混合写屏障同时应用以下两条规则：

插入屏障：
当黑色对象引用白色对象时，强制将白色对象标记为灰色。
```
A(黑).field = B(白) → B被标记为灰色
```
删除屏障（弱化版）：
当对象（无论黑白）**删除对**白色对象的引用时，将该白色对象标记为灰色。
```
A(黑/灰).field = nil（原指向B(白)） → B被标记为灰色
```
栈保护：
栈上对象的引用变更不触发写屏障，但 GC 开始时会对栈进行并发扫描，扫描完成后栈上对象视为黑色（不再二次扫描）。

混合写屏障的 GC 流程改进

初始标记（STW）
- 扫描根对象（全局变量、寄存器），标记直接可达对象为灰色。
- 栈扫描：并发扫描所有 goroutine 的栈，标记栈上对象（但不扫描其引用的对象）。
并发标记
- 处理灰色队列，标记对象为黑色。
- 写屏障确保：
  ▶ 黑色对象新增白色引用时，白色对象被标灰。
  ▶ 对象删除白色引用时，白色对象被标灰。
- 栈处理：
  栈上对象在初始扫描后视为黑色，后续变更不触发屏障（依赖初始扫描的正确性）。
最终标记（STW）
- 仅需短暂 STW，处理少量未完成的标记任务（如栈上残留的白色对象），无需重新扫描栈。
清除阶段
- 并发清除所有白色对象。

关键优势

减少 STW 时间
- 栈扫描与用户线程并发进行，仅需初始 STW 扫描一次，无需像插入屏障那样在标记结束后重新 STW 扫描栈。
简化 GC 流程
- 统一处理堆上的插入和删除操作，逻辑更简洁。
降低内存压力
- 相比删除屏障，混合写屏障减少了浮动垃圾的产生（因插入屏障的存在）。

与传统屏障的对比

特性	插入屏障	删除屏障	混合写屏障
栈扫描 STW	需要两次（初始 + 最终）	仅初始一次	仅初始一次（扫描一次栈全黑，使得无需二次扫描）
浮动垃圾	无	有（下轮 GC 回收）	极少（插入屏障抑制）
写屏障复杂度	仅处理插入操作	仅处理删除操作	同时处理插入和删除
Go 版本	1.5-1.7	历史方案（未实际使用）	1.8+

示例说明

// 场景：黑色对象A引用白色对象B，同时灰色对象C删除对B的引用
A.field = B  // 混合写屏障：B被标记为灰色（插入规则）
C.field = nil // 混合写屏障：B已被标灰（插入规则已处理），无需重复操作

通过混合写屏障，B 在被 A 引用时已被标灰，即使 C 删除引用，B 仍会被正确标记为存活对象。

总结

混合写屏障是 Go 语言 GC 的核心优化，通过合并插入与删除屏障的优势，大幅减少 STW 时间，同时降低内存压力。其核心设计思想是：

并发栈扫描：避免栈操作的写屏障，通过初始 STW 扫描一次栈。
堆上双重保护：通过插入和删除规则，确保引用变更时对象被正确标记。
最终 STW 优化：仅需短暂暂停处理残留任务，无需重新扫描栈。

这使得 Go 语言的 GC 在保证正确性的同时，实现了极致的低延迟，特别适合高并发场景。

GC全场景分析

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一、TCP与UDP的核心区别特性TCPUDP连接特性面向连接（三次握手建立连接）无连接，直接传输数据可靠性通过确认重传、排序、流控保证可靠尽力交付，不保证数据到达流量控制支持滑动窗口机制调节发送速率不支持数据分段支持大数据分段…...

编程日记 2025/7/26 1:25:20

Flask快速入门和问答项目源码

Flask基础入门源码： gitee：我爱白米饭/Flask问答项目 - 码云目录 1.安装环境2.【debug、host、port】3.【路由params和query】4.【模板】5.【静态文件】6.【数据库连接】6.1.安装模块6.2.创建数据库并测试连接6.3.创建数据表6.4.ORM增删改查 6.5.ORM模…...

编程日记 2025/7/26 5:15:42

python创建flask项目

好的，我会为你提供一个使用 Flask、pg8000 和 Pandas 构建的后台基本框架，用于手机理财产品 App 的报表分析接口。这个框架将包含异常处理、模块化的结构以支持多人协作，以及交易分析和收益分析的示例接口。项目结构: financial_report_ap…...

编程日记 2025/7/24 9:20:37

GC全场景分析

文章目录

标记-清除法

标记 - 清除法核心流程与 STW 机制

标记 - 清除法四步流程

1. STW 启动（暂停用户线程）

2. 标记可达对象（从根集合出发）

3. 清除未标记对象（回收堆内存）

4. 恢复用户线程（结束 STW）

根集合（Root Set）深度解析

1. 本质与作用

2. 分布与组成

3. 与 GC 的关键关系

对比与总结

三色标记法与屏障机制

基本概念

标记流程

混合写屏障机制

混合写屏障的核心规则

混合写屏障的 GC 流程改进

关键优势

与传统屏障的对比

示例说明

总结

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