为什么 Go 在 GC 时 STW 的时间很短

作为一名 Go 开发者，我经常被问到有关垃圾回收 (GC) 的问题，尤其是为什么 Go 的 GC 可以在不中断应用程序的情况下进行，而其他语言的 GC 则会导致停顿。今天，我就来深入探讨一下这个话题，解释 Go 是如何实现低停顿 GC 的。

背景：什么是 STW？

STW（停止世界）是指 GC 过程中应用程序执行被暂停的时间段。在传统的 GC 实现中，STW 是不可避免的，因为 GC 需要扫描整个堆并确定哪些对象仍在使用。这个过程可能会花费很长时间，尤其是对于大型应用程序。

Go 的渐进式 GC

与传统 GC 不同，Go 使用了一种称为渐进式 GC 的方法。正如其名称所示，渐进式 GC 将 GC 过程分解为较小的、可以并行执行的任务。这些任务可以在应用程序执行的同时在后台运行，从而避免了 STW。

Go 的三色标记算法

渐进式 GC 的核心是三色标记算法。该算法将对象分为三类：

• 白色：未标记的对象。
• 灰色：已开始标记但尚未完成的对象。
• 黑色：已完全标记的对象。

GC 线程从根对象（如全局变量或栈上的局部变量）开始扫描堆。它标记根对象为灰色，然后递归地标记这些对象引用的任何其他对象为灰色。

并发标记

标记阶段是 Go GC 的关键部分。为了实现并发性，Go 使用了多个称为标记器 Goroutine。这些标记器同时运行，并发标记堆中的对象。每个标记器都维护一个本地缓存，用于跟踪已标记和未标记的对象。

清除阶段

一旦所有对象都已标记，GC 线程就会进行清除阶段。在此阶段，它遍历堆并回收所有仍为白色的对象（即未被引用）。由于所有灰色和黑色对象都已标记为仍被使用，因此不需要 STW。

其他优化

除了渐进式 GC 和三色标记算法之外，Go 还实施了其他优化来减少 STW：

• 逃逸分析：该分析器可以识别不会逃逸到堆的临时变量。这些变量可以存储在栈上，从而减少堆分配并且使 GC 更快。
• 内存分段：Go 将堆划分为不同的段，例如年轻代和老年代。年轻代中的对象更有可能被回收，因此可以更频繁地进行清理。
• 并发回收：除了并发标记之外，Go 的 GC 线程也可以并发回收对象。这进一步减少了 STW 时间。

结论

通过采用渐进式 GC、三色标记算法以及其他优化，Go 能够在不中断应用程序的情况下执行 GC。这使得 Go 非常适合对延迟敏感的应用程序和高并发场景。如果您正在寻找一种具有快速 GC 和低停顿时间的语言，那么 Go 绝对值得考虑。

作为一名 Go 开发人员，我经常被问到一个问题：“为什么 Go 在进行垃圾回收 (GC) 时，停止整个世界 (STW) 的时间这么短？”这是个好问题，因为 STW 可能会对应用程序性能产生重大影响。让我们深入了解一下 Go 是如何实现短 STW 时间的。

什么是 STW？

在讨论 Go 的 GC 之前，我们先来了解一下 STW。STW 是一个术语，用于描述在 GC 过程中应用程序执行暂停的状态。这是因为 GC 需要扫描内存并找出不再被程序使用的对象，而这需要停止所有并发活动。

Go 的 GC 算法

Go 使用了一个名为标记-清除 (Mark-Sweep) 的 GC 算法。该算法分两个阶段进行：

1. 标记阶段：GC 遍历内存并标记所有可到达的对象。可到达的对象是指仍然被应用程序使用的对象。
2. 清除阶段：GC 遍历内存并清除所有未标记的对象，释放其占用的内存。

Go 的并发 GC

Go 的 GC 算法是并发的，这意味着它可以同时执行标记和清除阶段。这使得 Go 可以在应用程序继续执行时进行 GC，从而最大限度地减少 STW 时间。

Tri-Color 标记

Go 使用了一种称为 Tri-Color 标记的技术来实现并发 GC。该技术将对象标记为三种颜色：

• 白色：未标记的对象。
• 灰色：正在标记的对象。
• 黑色：已标记的对象。

GC 并发地遍历内存，将白色对象标记为灰色，然后将灰色对象标记为黑色。当所有可到达的对象都被标记为黑色后，GC 就会开始清除白色对象。

增量清除

Go 还使用了一种称为增量清除的技术。该技术将内存划分为称为“区域”的较小块。GC 一次清除一个区域，这允许应用程序在其他区域继续执行。增量清除进一步减少了 STW 时间。

逃逸分析

Go 还使用了一种称为逃逸分析的优化技术。逃逸分析确定哪些对象存储在堆中，哪些存储在栈中。存储在栈中的对象在退出函数时自动释放，因此不需要 GC。逃逸分析减少了需要 GC 的对象数量，从而减少了 STW 时间。

总结

Go 在 GC 时 STW 时间短的原因有多种：

• 并发的标记-清除算法
• Tri-Color 标记技术
• 增量清除技术
• 逃逸分析

这些优化技术共同作用，使 Go 能够在不严重影响应用程序性能的情况下进行高效的垃圾回收。因此，Go 应用程序可以享受高吞吐量和低延迟，即使在 GC 期间也是如此。

Go 是一种以其高效的垃圾回收 (GC) 机制而闻名的编程语言。与其他语言不同，Go 的 GC 采用一种称为并发标记和清除 (CMS) 的方法，这有助于最大限度地减少垃圾回收期间应用程序的停顿时间或 STW 时间。

并发标记和清除 (CMS)

传统 GC 方法在执行 GC 之前需要停止应用程序，这会导致严重的 STW 问题。而 CMS 允许 GC 线程在应用程序运行时并发进行标记和清除操作：

• 标记阶段：GC 线程并行扫描应用程序的内存，标记出不再可访问的对象。
• 清除阶段：GC 线程清除标记为要回收的对象，释放它们的内存。

由于标记和清除步骤是并发的，因此应用程序可以继续运行，而不会受到 GC 中断。

Go 中的 STW 时间

虽然 CMS 显著减少了 GC 期间的 STW 时间，但 Go 仍然需要一些短暂的 STW 时期：

• *抢占世界 (Stop-the-World) *：在启动 GC 周期之前，需要短暂的 STW 以确保内存一致性。这段 STW 时间通常非常短暂，仅需几微秒。
• 重置根指针 (Reset Roots)：GC 完成后，需要进行短暂的 STW 以重置应用程序的根指针，指向 GC 后可用的对象。

优化 STW 时间

Go 团队已经采取了多种优化措施来进一步缩短 STW 时间：

• 增量标记：标记阶段是分段进行的，这样应用程序就不用长时间暂停。
• 增量清除：清除阶段也是分段进行的，这使得应用程序可以尽快释放已回收的内存。
• 多个 GC 线程：Go 可以在多核系统上并行运行多个 GC 线程，以进一步加速标记和清除过程。

实际 STW 时间

Go 的实际 STW 时间因应用程序和机器配置而异。一般来说，小型应用程序的 STW 时间在几微秒到几毫秒之间，而大型应用程序的 STW 时间可能达到几十毫秒。

与其他语言的比较

与其他具有 GC 机制的语言相比，Go 的 STW 时间非常短。例如，Java 和 C# 的 GC 可能会导致数百毫秒甚至数秒的 STW 时间。这使得 Go 非常适合需要实时响应的应用程序。

结论

Go 的 CMS GC 机制、优化以及增量标记和清除方法相结合，使它在 GC 时具有非常短的 STW 时间。这使得 Go 非常适合对应用程序性能至关重要的场景，例如 web 服务器、微服务和分布式系统。