浅析 Golang 内存机制（内存分配、GC、内存逃逸）

内存分配

Go 程序在启动时，会向操作系统申请一定区域的内存，分为堆（Heap）和栈（Stack）。

堆（Heap）
- 一般来讲是人为手动进行管理，手动申请、分配和释放。所涉及的内存大小并不定，一版会存放比较大的对象。分配相对较慢涉及到的指令动作相对较多。
- 在 Go 语言中，堆内存由程序申请分配，由 GC（Garbage Collection）负责回收
栈（Stack）
- 由编译器进行管理，自动申请、分配、释放。一般不会太大，我们常见的函数参数、局部变量等等都会放在栈上。
- 在 Go 语言中，栈内存会随着函数的调用而进行分配，随着函数的调用结束而回收

性能上，栈内存的使用和回收会更快一些，尽管 Golang 的 GC 很高效，但过程中还会在标记准备阶段和标记结束阶段进行 STW，因此，会优先使用栈内存进行分配（因为栈内存更高效，不需要 GC，所以会尽可能将内存分配到栈上），在某些特殊场景下可能会发生内存逃逸到堆上

GC（Garbage Collection）

标记清除法

在 Go 1.3 之前的版本使用的是标记清除法（mark and sweep），大致流程如下：

暂停程序业务逻辑，找出不可达对象和可达对象
开始标记，将程序找出的所有可达对象做上标记
开始清除，清除未被标记的对象
停止程序暂停，让程序继续执行
重复以上4步，直到进程生命周期结束

缺点

STW(Stop The World) 会让程序暂停，程序会出现卡顿
标记需要扫描整个堆
清除数据会产生堆碎片

m-and-s

三色标记法

三色（黑白灰）标记法的核心思想是通过对堆对象的多次遍历，将堆内的所有对象通过指定条件最终区分为两种颜色，最后将其中为白色的所有对象清除掉，三色只出现在过程中。

过程

初始创建的对象都标记为白色
每次 GC 开始时，从程序根节点（rootSet）开始遍历所有对象，把遍历到的对象都标记为灰色
继续遍历灰色对象，将其引用的白色对象变为灰色，然后将自身变为黑色
重复步骤3，直到没有灰色对象
清除剩下的白色对象

缺点

如果三色标记法标记过程不进行 STW 保护，当下面两种条件满足时，会出现丢失对象的现象

白色对象被黑色对象引用
灰色对象与该白色对象的引用关系遭到破坏

满足这两种条件时，该白色对象实际是可用但他并不会被标记为黑色，就会在清除阶段被清除掉，为了防止这种情况发生引入了三色不变式

三色不变式

强三色不变式
- 不允许黑色对象引用白色对象
若三色不变式
- 允许黑色对象引用白色对象，但该白色对象的上游对象必须有灰色对象对其进行引用

屏障机制

屏障技术

为了实现三色不变式，引入了屏障机制

插入写屏障
- 触发时机
  - 对象被引用时触发
- 具体实现
  - 在黑色对象A对对象B进行引用时，将对象B标记为灰色
- 结果
  - 满足强三色不变式，不会存在黑色对象引用白色对象
- 缺点
  - 在每次 GC 过程中可能会产生一部分被染黑的垃圾对象，只有在下一次 GC 时菜户被回收
  - 在标记阶段，每次进行指针赋值时都会需要进行写屏障，会增加性能开销。为了避免性能问题，可以选择关闭栈上的指针写操作的写屏障（栈空间的特点是容量小,但是要求相应速度快,因为函数调用弹出频繁使用, 所以“插入屏障”机制,在栈空间的对象操作中不使用）。当发生栈上写操作时，将栈标记为恒灰，但此举产生了灰色赋值器，需要在标记终止阶段 STW 时对这些栈进行重新扫描。
删除写屏障
- 触发时机
  - 对象被删除时触发
- 具体实现
  - 被删除的对象如果自身是灰色或白色，都将其标记为灰色
- 结果
  - 满足弱三色不变式，保护灰色对象到白色对象的引用不会断
- 缺点
  - 回收精度不足

混合写屏障

Go 在1.8版本中为了简化 GC 流程，同时减少标记终止阶段的重扫（rescan）成本，将插入屏障和删除屏障进行混合，形成混合写屏障。

混合写屏障的基本思想是，对正在被覆盖的对象进行着色，且如果当前栈未完成扫描，则同样对指针进行着色。

三色标记+混合写屏障 GC 过程

GC 开始时优先扫描栈，将栈标记为黑色，其上可达对象全部标记为黑色，之后不再需要二次扫描，无需 STW
GC 期间，任何栈上创建的新对象均被标记为黑色
被删除对象标记为灰色
被添加对象标记为灰色

一次完整的 GC 会分为四个阶段：标记准备，标记，结束标记，清理。在标记准备和标记结束阶段仍需短暂的 STW ，标记阶段会降低程序的性能

GC 的标记是广度优先

gcStart 三种触发 GC 的节点

runtime.GC
runtime.mallocgc
forcegchelper

逃逸分析

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