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Go语言 GC触发时机

Go 语言在早期经常遭到诟病的就是在垃圾回收（GC）机制中 STW（Stop-The-World）的时间过长。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。

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。

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。

4. 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。

5. 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？

5.1 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。

5.2 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。

下一节：Go GC优化方法

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