Go语言的GC，什么时候会触发 GC （垃圾回收）

文章首发 - 微信公众号：Go 语言圈

 
在早期经常遭到唾弃的就是在垃圾回收(下称：GC)机制中 STW(Stop-The-World)的时间过长。那么这个时候，我们又会好奇一点，作为 STW 的起始，Go 语言中什么时候才会触发 GC 呢?

 
1、什么是 GC
在计算机科学中，垃圾回收(GC)是一种自动管理内存的机制，垃圾回收器会去尝试回收程序不再使用的对象及其占用的内存。

最早 John McCarthy 在 1959 年左右发明了垃圾回收，以简化 Lisp 中的手动内存管理的机制(来自 @wikipedia)。

 
2、为什么要 GC
手动管理内存挺麻烦，管错或者管漏内存也很糟糕，将会直接导致程序不稳定(持续泄露)甚至直接崩溃。

 
3、GC 触发场景
GC 触发的场景主要分为两大类，分别是：

系统触发：运行时自行根据内置的条件，检查、发现到，则进行 GC 处理，维护整个应用程序的可用性。
手动触发：开发者在业务代码中自行调用 runtime.GC 方法来触发 GC 行为。

3.1系统触发
在系统触发的场景中，Go 源码的 src/runtime/mgc.go 文件，明确标识了 GC 系统触发的三种场景，分别如下：

const ( 
 gcTriggerHeap gcTriggerKind = iota 
 gcTriggerTime 
 gcTriggerCycle 
) 

gcTriggerHeap：当所分配的堆大小达到阈值(由控制器计算的触发堆的大小)时，将会触发。
gcTriggerTime：当距离上一个 GC 周期的时间超过一定时间时，将会触发。-时间周期以 runtime.forcegcperiod 变量为准，默认 2 分钟。
gcTriggerCycle：如果没有开启 GC，则启动 GC。
在手动触发的 runtime.GC 方法中涉及。

 
3.2手动触发
在手动触发的场景下，Go 语言中仅有 runtime.GC 方法可以触发，也就没什么额外的分类的。

但我们要思考的是，一般我们在什么业务场景中，要涉及到手动干涉 GC，强制触发他呢?

需要手动强制触发的场景极其少见，可能会是在某些业务方法执行完后，因其占用了过多的内存，需要人为释放。又或是 debug 程序所需。

 
3.3 基本流程
在了解到 Go 语言会触发 GC 的场景后，我们进一步看看触发 GC 的流程代码是怎么样的，我们可以借助手动触发的 runtime.GC 方法来作为突破口。

核心代码如下：

func GC() { 
 n := atomic.Load(&work.cycles) 
 gcWaitOnMark(n) 

 gcStart(gcTrigger{kind: gcTriggerCycle, n: n + 1}) 

 gcWaitOnMark(n + 1) 

 for atomic.Load(&work.cycles) == n+1 && sweepone() != ^uintptr(0) { 
  sweep.nbgsweep++ 
  Gosched() 
 } 

 for atomic.Load(&work.cycles) == n+1 && atomic.Load(&mheap_.sweepers) != 0 { 
  Gosched() 
 } 

 mp := acquirem() 
 cycle := atomic.Load(&work.cycles) 
 if cycle == n+1 || (gcphase == _GCmark && cycle == n+2) { 
  mProf_PostSweep() 
 } 
 releasem(mp) 
} 

在开始新的一轮 GC 周期前，需要调用 gcWaitOnMark 方法上一轮 GC 的标记结束(含扫描终止、标记、或标记终止等)。

开始新的一轮 GC 周期，调用 gcStart 方法触发 GC 行为，开始扫描标记阶段。

需要调用 gcWaitOnMark 方法等待，直到当前 GC 周期的扫描、标记、标记终止完成。

需要调用 sweepone 方法，扫描未扫除的堆跨度，并持续扫除，保证清理完成。在等待扫除完毕前的阻塞时间，会调用 Gosched 让出。

在本轮 GC 已经基本完成后，会调用 mProf_PostSweep 方法。以此记录最后一次标记终止时的堆配置文件快照。

结束，释放 M。

 
3.4 在哪触发
看完 GC 的基本流程后，我们有了一个基本的了解。但可能又有小伙伴有疑惑了?

本文的标题是 “GC 什么时候会触发 GC”，虽然我们前面知道了触发的时机。但是….Go 是哪里实现的触发的机制，似乎在流程中完全没有看到?

4、监控线程
实质上在 Go 运行时(runtime)初始化时，会启动一个 goroutine，用于处理 GC 机制的相关事项。

代码如下：

func init() { 
 go forcegchelper() 
} 

func forcegchelper() { 
 forcegc.g = getg() 
 lockInit(&forcegc.lock, lockRankForcegc) 
 for { 
  lock(&forcegc.lock) 
  if forcegc.idle != 0 { 
   throw("forcegc: phase error") 
  } 
  atomic.Store(&forcegc.idle, 1) 
  goparkunlock(&forcegc.lock, waitReasonForceGCIdle, traceEvGoBlock, 1) 
    // this goroutine is explicitly resumed by sysmon 
  if debug.gctrace > 0 { 
   println("GC forced") 
  } 

  gcStart(gcTrigger{kind: gcTriggerTime, now: nanotime()}) 
 } 
} 

在这段程序中，需要特别关注的是在 forcegchelper 方法中，会调用 goparkunlock 方法让该 goroutine 陷入休眠等待状态，以减少不必要的资源开销。

在休眠后，会由 sysmon 这一个系统监控线程来进行监控、唤醒等行为：

func sysmon() { 
 ... 
 for { 
  ... 
  // check if we need to force a GC 
  if t := (gcTrigger{kind: gcTriggerTime, now: now}); t.test() && atomic.Load(&forcegc.idle) != 0 { 
   lock(&forcegc.lock) 
   forcegc.idle = 0 
   var list gList 
   list.push(forcegc.g) 
   injectglist(&list) 
   unlock(&forcegc.lock) 
  } 
  if debug.schedtrace > 0 && lasttrace+int64(debug.schedtrace)*1000000 <= now { 
   lasttrace = now 
   schedtrace(debug.scheddetail > 0) 
  } 
  unlock(&sched.sysmonlock) 
 } 
} 

这段代码核心的行为就是不断地在 for 循环中，对 gcTriggerTime 和 now 变量进行比较，判断是否达到一定的时间(默认为 2 分钟)。

若达到意味着满足条件，会将 forcegc.g 放到全局队列中接受新的一轮调度，再进行对上面 forcegchelper 的唤醒。

5、堆内存申请
在了解定时触发的机制后，另外一个场景就是分配的堆空间的时候，那么我们要看的地方就非常明确了。

那就是运行时申请堆内存的 mallocgc 方法。核心代码如下：

func mallocgc(size uintptr, typ *_type, needzero bool) unsafe.Pointer { 
 shouldhelpgc := false
 ... 
 if size <= maxSmallSize { 
  if noscan && size < maxTinySize { 
   ... 
   // Allocate a new maxTinySize block. 
   span = c.alloc[tinySpanClass] 
   v := nextFreeFast(span) 
   if v == 0 { 
    v, span, shouldhelpgc = c.nextFree(tinySpanClass) 
   } 
   ... 
   spc := makeSpanClass(sizeclass, noscan) 
   span = c.alloc[spc] 
   v := nextFreeFast(span) 
   if v == 0 { 
    v, span, shouldhelpgc = c.nextFree(spc) 
   } 
   ... 
  } 
 } else { 
  shouldhelpgc = true
  span = c.allocLarge(size, needzero, noscan) 
  ... 
 } 

 if shouldhelpgc { 
  if t := (gcTrigger{kind: gcTriggerHeap}); t.test() { 
   gcStart(t) 
  } 
 } 

 return x 
} 

小对象：如果申请小对象时，发现当前内存空间不存在空闲跨度时，将会需要调用 nextFree 方法获取新的可用的对象，可能会触发 GC 行为。

大对象：如果申请大于 32k 以上的大对象时，可能会触发 GC 行为。

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