golang 所有进程休眠_golang 垃圾回收(三)插入写屏障
并发的垃圾回收
STW 安全的回收
并发的垃圾回收
插入写屏障
伪代码
对象丢失的必要条件
写屏障是怎么解决问题?
并发的垃圾回收
golang 语言设计的根本性追求就是高并发,低延迟,所以golang 的垃圾回收也是持续在优化。golang 的垃圾回收是并发垃圾回收设计,业务运行和回收器运行并发,这种设计的初衷是降低垃圾回收停顿时间。
之前提过一个例子,如果你要安全的实现回收垃圾,那么简单的就是回收垃圾的时候,把所有的业务操作都停止,这个术语是STW(stop the world)。下面用一些术语:
- 赋值器:这个就是程序的业务代码
- 回收器:垃圾回收器
STW 安全的回收
下面画了一个图,表示了这种简单例子的一个演进:
- 灰色表示一次垃圾回收操作
- 黑色表示下一次
图里我们看到:
- 在单处理器的场景,赋值器和回收器的代码是交替运行的,回收器回收的时间即为赋值器停顿的时间;
- 多处理器的时候,多个赋值器线程并行执行,但是每次回收器回收的时候,还是要挂起多个赋值器;
- 第三种,就是让多个处理器并行的执行回收器的任务,减少停顿;
这是一个显而易见的实现和优化演进,其实再进一步,我们可以把完整的一个回收任务拆分成小粒度的,搞成一次次增量的回收,这样单次的停顿时间就更少了。
并发的垃圾回收
golang 明显不是这个(哈哈,曾经是),golang 必须要让赋值器和回收器并发起来,不能有明显的停顿。golang 当前的垃圾回收特点:
- 完全消除了明显的 STW (除了开启的垃圾回收的时候)
- 回收器标记、回收过程完全和赋值器并发
- 但是注意一点,对于单个栈来说,是一个一个挂起扫描的,这种扫描方式叫做 on-the-fly collection,并且是增量式的;
golang 的回收没有混合屏障之前,一直是插入写屏障,由于栈赋值没有 hook 的原因,所以有 STW,混合写屏障之后,就没有 STW。
这里有个点要理解:STW 是全局的赋值器挂起,我们一直说 golang 消除了 STW 说的是没有了全局性的挂起,但是局部的赋值器挂起是一直有的,包括现在也是有的。
插入写屏障
伪代码
Write 操作改变特定内存的值。改操作引发内存存储,需要三个参数:指向源的指针、待修改域的索引、待存储的值。写赋值操作用伪代码表示下:
Write(src, i, val): src[i]
我们的插入写屏障就是在这段赋值代码中,添加一段 hook 代码,这段 hook 代码就是所谓的屏障代码,由编译器在编译期生成。写屏障的实现有多种,golang 使用的是 Dijkstra 算法实现:
atomic Write(src, i, ref) src[i] if isBlack(src) shade(ref)
这段伪代码我们非常容易看懂,就是加了后面的一个判读逻辑,如果 src 已经是黑色的,那么就把指向的新对象置灰色。
对象丢失的必要条件
之前的文章有提到三色标记法,提到,如果要想出现对象丢失(错误的回收)那么必须是同时满足两个条件:
- 条件1:赋值器把白色对象的引用写入给黑色对象了(换句话说,黑色对象指向白色对象了)
- 条件2:从灰色对象出发,最终到达该白色对象的所有路径都被赋值器破坏(换句话说,这个已经被黑色指向的白色对象,还没有在灰色对象的保护下)
图示举例:
- 赋值器操作一:X -> Z
- 赋值器操作二:Y -> null
- 回收器操作一:Scan Y
- 回收器操作二:回收 Z (这就有问题了)
在这两个条件同时出现的时候,才会出现对象被错误的回收。然后我们回过头看下写屏障的实现,就会发现,写屏障从根本上破坏了第一个条件的出现。
写屏障是怎么解决问题?
加了屏障的示意图:
插入写屏障就是这么简单。只要你保证时时刻刻没有黑色对象指向白色对象的条件出现,那么回收的正确性就能保证。但是话又说回来了,这个屏障是配合赋值器回收器并发的场景才需要,如果你允许直接STW执行回收器逻辑,那就不需要这么复杂了,当然啦,这样的话赋值器的性能肯定就不行啦。
虽然插入写屏障能解决问题,但是 golang 针对栈上对象的赋值却没有捕捉(没有生成写屏障),原因自然是性能损耗和实现复杂度的考虑。这就开了一个例外的口子,有一些黑色的栈对象指向了白色的对象,而回收器却无法感知到。golang 的解决方法是:最后再 STW 重新扫描一把栈。这个自然就会导致整个进程的赋值器卡顿,所以后面 golang 是引用混合写屏障解决这个问题。
混合写屏障混合的是谁?
混合的是删除写屏障,下一篇,聊删除写屏障是什么。
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golang 垃圾回收(二)屏障技术
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