聊聊Go的三色标记法-轻识

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我的第「203」篇原创敬上

大家好，我是 Z 哥。

今天带来一篇久违的技术型文章。

之前也有不少小伙伴会问，Z 哥你好久没发技术性文章了。其实主要原因有以下几点。

第一，目前的工作偏业务以及管理，的确在技术上的精力投入不如之前那么多。这也限制了自己在纯技术性方面的知识输出。

第二，虽然自己在工作之余，也会有一部分精力专门用于技术学习，但是大多是以新技术、新框架等的了解、熟悉为主。涉及到的知识 Level 相对比较浅，就算发出来对大家的帮助也不大，就没发。

第三，从长远来看，自己也不想太把自己局限在技术的圈子里。因为在我看来，技术只是一门手艺，是吃饭的家伙，但是吃饭的家伙从来都不仅仅是技术，还有很多其它的方面。甚至其中很多事情不像具体的技术细节那样「标准化」，有很多是通过血汗积累的「非标准化」经验，我认为这些经验的价值不亚于技术知识。因此，作为有志与大家交朋友的 Z 哥，自然就不想把自己局限在「技术」这个小圈子里。

好了，回到本文的正题。最近正好在学习 Golang，对它的里面用到的三色标记法的 GC 机制有些好奇（最开始是因为名字让我联想到了三色杯冷饮～），就稍微多深入了解了一下，在这里分享出来，或许将来对你面试啥的有些帮助。

/01 判断对象存活的思路/

在 GC 领域里，判断对象存活的主流思路是两个，「引用计数」和「可达性分析」。

01 引用计数

顾名思义，引用计数的思路就是给每个对象进行计数，每被其它对象引用一次，计数就 +1，引用失效后，计数就 -1。当计数器的数值为 0，就意味着它没有被使用，可以回收。

02 可达性分析

可达性分析的思路就是通过引用链路判断对象是否可被触达，如果能触达说明该对象当前正在被使用，不可回收；反之，没有触达到的对象则认为是无使用的，可以回收。

这个引用链路的结构类似于有向有环图，但是根节点不止一个，是一个集合，称之为 GCRoots。

目前主流的 GC 机制大多用的是「可达性分析」这条路线。Go、Java、.Net等都是如此。为什么引用计数不好用呢？因为它有一个特别严重的问题：无法处理循环引用。

像上图这样的情况，引用计数永远不为 0，这些对象就永远不会被回收，这会严重影响回收的效果。

但是它也并不是一无是处，它的回收实时性效果更好，可以配合「可达性分析」一起使用，发挥各自的优点，在不同的场景下使用不同的策略。

由于，「可达性分析」思路是主流，所以后续发展出来的很多回收算法都以这个思路为基础的，三色标记法就是其中之一。我们今天主要来聊聊它。

/02 三色标记法/

在讲具体原理之前先了解一个概念，「Stop The World 」，简称「STW」。

垃圾回收器的工作流程大体如下：

标记出哪些对象是存活的，哪些是可回收的。
进行回收（清除/复制/整理）。如果在回收期间有移动过的对象（复制/整理），还需要更新引用。

第一步做标记的过程又可以分成两个步骤。

标记 GC ROOT 能关联到的对象。这里会 STW。
从 GCRoots 的直接关联对象开始遍历整个对象图。这里不会STW。

垃圾回收算法主要做的就是第一步中的第二步，三色标记法也不例外，它将从GC Roots 开始遍历的对象标记为以下三种颜色：

白色，初始值。本次回收没被扫描过的对象默认都是白色的。而确认不可达的对象也是白色，但是会被标记「不可达」。
灰色，中间状态。本对象有被外部引用，但是本对象引用的其它对象尚未全部检测完。
黑色，本对象有被其它对象引用，且已检测完本对象引用的其它对象。

其实这三种颜色是啥不重要的，重要的是它们所表达的状态，灰色的中间状态，标记过程结束后只会存在白色或者黑色。

整个过程中，这些状态是如下图这样变化的。

看似很完美的解决方案，其实也存在的一个问题：标记过程中，对象引用发生了变化。

它会导致两个问题，「多标」和「漏标」。

多标就是下图这样：

由于步骤2不会STW，所以可能存在扫描过A将它标记为黑色后，又重新引用了一个原本已经被标记为白色的D（C断开了与D的引用）。此时，D就会被回收掉，导致程序出现意料之外的bug。

「漏标」就是这样：

对象 E/F/G 是“应该”被回收的。然而因为 E 已经变为灰色了，其仍会被当作存活对象继续遍历下去。最终的结果是：这部分对象仍会被标记为存活，即本轮 GC 不会回收这部分内存。

传统的解决这两个问题的思路有两个：

在断开引用的时候做额外处理。
在「黑色」对象重新建立「白色」对象的引用时做额外处理。（回收开始后新建的对象默认为黑色）。

第一个思路专业叫法是「写屏障」，第二个是「读屏障」。其实名字就是噱头，你可以把它们俩当我们平时编程中用到的 AOP 概念来理解，在修改和读取之前做一些操作。

基于「写屏障」，可以延伸出两个方案：

增量更新（Incremental Update）。针对新增的引用，将其记录下来等待重新遍历。这个操作在「修改操作后」进行，JVM 中的 CMS 垃圾回收器就是这个思路。
原始快照（Snapshot At The Beginning，SATB）。当某个时刻的 GC Roots 确定后，当时的对象图就已经确定了。如果期间发生变化，则可以记录起来，保证标记依然按照原本的视图来。这个操作在「修改操作前」进行，JVM中的 G1 垃圾回收器用的就是这个思路。理论上，配合「Remembered Set」，SATB 的效率是比增量更新要高的，不过会消耗更多的内存。

基于「读屏障」的方案是：在「黑色」对象重新建立「白色」对象的引用前，将这个白色对象记录下来，避免被回收掉。这个动作在「读取操作前」进行，JVM 中的 ZGC 垃圾回收器就是这个思路。

在 Golang（1.8版本之后）里，用的是一种新的机制，称之为「混合写屏障」机制。它的思路总结下来就是4句话：

将对象分为堆上的对象和栈上的对象。
GC 开始将栈上的对象全部扫描并标记为黑色，无需 STW。并且之后不再进行第二次重复扫描
在 GC 期间，任何在栈上创建的新对象，均为黑色。
在 GC 期间，在堆上被删除或者添加的对象都标记为灰色。后续继续扫描。

你看，其实这些原理也没那么复杂，我相信只要你搞清楚了自己面对的是什么问题，你也能想到这些方案。

好了，总结一下。

这篇呢，Z 哥和你分享了我对 Golang 中的 GC 机制「三色标记法」的了解。

GC 的底层判断对象存活思路主要是两个，引用计数和可达性分析。由于引用计数存在循环引用问题，所以大多数 GC 都是按照后者的思路实现的，Golang 也不例外。

「三色标记法」的原理是，将对象分为了三种状态：

白色，默认值。本次回收没被扫描过的对象都是白色的。确认不可达的对象也是白色，但是会被标记「不可达」。
灰色，中间状态。本对象有被外部引用，但是本对象引用的其它对象尚未全部检测完。
黑色，本对象有被其它对象引用，且已检测完本对象引用的其它对象。

最终将白色状态的对象回收掉。为了解决其中会存在的漏标、多标问题，它通过「混合写屏障」的机制来解决。思路是，

将对象分为堆上的对象和栈上的对象。
GC 开始将栈上的对象全部扫描并标记为黑色，无需 STW。并且之后不再进行第二次重复扫描
在 GC 期间，任何在栈上创建的新对象，均为黑色。
在 GC 期间，在堆上被删除或者添加的对象都标记为灰色。后续继续扫描。

希望对你有所帮助。