Go:内存管理与内存清理

Go:内存管理与内存清理插图

Illustration created for “A Journey With Go”, made from the original Go Gopher, created by Renee French.

这篇文章基于 Go 1.13 版本。有关内存管理的讨论在我的文章 ”Go:内存管理与分配 ” 中有解释。

清理内存是一个过程,它能够让 Go 知道哪些内存段最近可用于分配。但是,它并不会使用将位置 0 的方式来清理内存。

将内存置 0

将内存置 0 的过程 —— 就是把内存段中的所有位赋值为 0 —— 是在分配过程中即时执行的。

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Zeroing the memory

但是,我们可能想知道 Go 采用什么样的策略去知道哪些对象能够用于分配。由于在每个范围内有一个内部位图 allocBits ,Go 实际上会追踪那些空闲的对象。让我们从初始态开始来回顾一下它的工作流程,

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Free objects tracking with allocBits

就性能角度来看,allocBits 代表了一个初始态并且会保持不变,但是它会由 freeIndex(一个指向第一个空闲位置的增量计数器)所协助。

然后,第一个分配就开始了:Go:内存管理与内存清理插图(3)

Free objects tracking with allocBits

freeIndex 现在增加了,并且基于 allocBits 知道了下一段空闲位置。

分配过程将会再一次出现,之后, GC 将会启动去释放不再被使用的内存。在标记期间,GC 会用一个位图 gcmarkBits 来跟踪在使用中的内存。让我们通过我们运行的程序以相同的示例为例,在第一个块不再被使用的地方。

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Memory tracking during the garbage collector

正在被使用的内存被标记为黑色,然而当前执行并不能够到达的那些内存会保持为白色。

有关更多关于标记和着色阶段的信息,我建议你阅读我的这篇文章 Go:GC 是如何标记内存的? 现在,我们可以使用 gomarkBits 精确查看可用于分配的内存。Go 现在也使用 gomarkBits 代替了 allocBits ,这个操作就是内存清理:

Go:内存管理与内存清理插图(5)

Sweeping a span

但是,这必须在每一个范围内执行完毕并且会花费许多时间。Go 的目标是在清理内存时不阻碍执行,并为此提供了两种策略。

清理阶段

Go 提供了两种方式来清理内存:

  • 使用一个工作程序在后台等待,一个一个的清理这些范围。
  • 当分配需要一个范围的时候即时执行。

关于后台工作程序,当开始运行程序时,Go 将设置一个后台运行的 Worker(唯一的任务就是去清理内存),它将进入睡眠状态并等待内存段扫描:

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Background sweeper

通过追踪过程的周期,我们也能看到这个后台工作程序总是出现去清理内存:

Go:内存管理与内存清理插图(7)

Background sweeper

清理内存段的第二种方式是即时执行。但是,由于这些内存段已经被分发到每一个处理器的本地缓存 mcache 中,因此很难追踪首先清理哪些内存。这就是为什么 Go 首先将所有内存段移动到 mcentral 的原因。

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Spans are released to the central list

然后,它将会让本地缓存 mcache 再次请求它们,去即时清理:

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Sweep span on the fly during allocation

即时扫描确保所有内存段在保存资源的过程中都会得到清理,同时会保存资源以及不会阻塞程序执行。

与 GC 周期的冲突

正如之前看到的,由于后台只有一个 worker 在清理内存块,清理过程可能会花费一些时间。但是,我们可能想知道如果另一个 GC 周期在一次清理过程中启动会发生什么。在这种情况下,这个运行 GC 的 Goroutine 就会在开始标记阶段前去协助完成剩余的清理工作。让我们举个例子看一下连续调用两次 GC,包含数千个对象的内存分配的过程。

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Sweeping must be finished before a new cycle

但是,如果开发者没有强制调用 GC,这个情况并不会发生。在后台运行的清理工作以及在执行过程中的清理工作应该足够多,因为清理内存块的数量和去触发一个新的周期(译者注:GC 周期)的所需的分配的数量成正比。


作者:Vincent Blanchon 译者:sh1luo 校对:polaris1119

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