GC: prioritizing low latency and simplicity

Posted 2021-05-01 11:17 +0800 by ZhangJie ‐ 1 min read

原文地址：https://blog.golang.org/go15gc

介绍了当前软硬件大规模发展的趋势以及go GC需要优先解决的问题：低延迟和简单性（通过一个参数就可以控制，而非像JVM调参那样）。

go团队的目标是设计一个面向未来十年的垃圾回收器，借鉴了十几年前发明的算法。go GC使用的是并发三色标记清除算法（concurrent, tri-color, mark-sweep collector），由Dijkstra在1978年提出。该算法与现在大多数企业级的GC实现不同，但是go团队认为该算法更适合于现代硬件的发展，也更有助于实现现代软件的GC低延迟目标。

该GC算法中，每个对象只能是white、grey、black中的其中一种，heap可以看做是互相连接的对象构成的一个graph。GC算法流程是：

• GC开始时，所有对象都是white；
• GC遍历所有的roots对象（比如全局变量、栈变量）将其标记为灰色；
• 然后GC选择一个grey对象，将其标记为black，并扫描（scan）该对象检查它内部的指向其他对象的指针。如果发现有指针指向其他white对象，将white对象标记为grey；
• 该过程重复执行，直到没有任何的灰色对象；
• 最后，剩下的白色对象即认为是不可达对象，可以被回收再利用；

GC过程和应用程序执行是并发进行的，应用程序也称为mutator，它会在GC运行期间修改一些指针的值。mutator必须遵循这样一条规则，就是不允许出现一个黑色对象指向一个白色对象，这样会导致对象被错误地回收。为了保证该规则成立，就需要引入写屏障（write barrier），它是编译阶段由编译器对mutator指针操作安插的一些特殊指令，用来跟踪对指针的修改，write barrier如果发现当前黑色对象的内部指针字段指向了外部的一个白色对象，则会将白色对象染色为grey，避免其被错误地GC掉，也保证其可以被继续扫描。

有些GC相关的问题：

• 什么时候启动GC？
• 通过哪些指标来判断要启动GC？
• GC应该如何与scheduler进行交互？
• 如何暂停一个mutator线程足够长时间，以扫描器stack？
• 如何表示white、grey和black三种颜色来实现高效地查找、扫描grey对象？
• 如何知道roots对象在哪里？
• 如何知道一个指向对象的指针的位置？
• 如何最小化内存碎片？
• 如何解决cache性能问题？
• heap应该设置为多大？
• 等等。

上述问题有些与内存分配有关，有些与可达对象分析有关，有些与goroutine调度有关，有些与性能有关，关于这些内容的讨论远远超出本文篇幅，可以自己参考相关的材料。

为了解决GC性能问题，可以考虑为每一种优化加个参数来控制，开发人员可以自己调整这里的参数来达到想要的优化效果。但是这种做法时间久了之后会发现有非常多的参数，调优就会变得非常困难，比如JVM调优。go团队不想走这样的老路，力求简单高效。

go通过GOGC这个环境变量来控制整个堆大小相对于现阶段可达对象大小的比例。GOGC默认值是100%，意味着当堆大小增长了当前可达对象大小的1倍时（2倍大小），就会触发GC；200%则意味着继续增长了当前可达对象的2倍时触发GC（3倍大小）。

• 如果想降低GC花费的时间，就把这个值设置的大一点，因为这样不容易频繁触发GC；
• 如果愿意花费更多的GC时间来换取更少的内存占用，就把这个值设置的小一点，因为这样能够更加频繁地GC；

前面提到go团队要设计一个面向未来十年的垃圾回收器，未来十年机器内存容量可能会翻倍或者成倍增长，简单地将GOGC设置为一定倍率也可以很好地工作，也不用像JVM调优那样重新设置一堆地参数，调参大军好惨。go团队也可以倾听用户真正地诉求在运行时方面做更多的优化。