深度剖析Golang如何實現(xiàn)GC掃描對象
之前闡述了 golang 垃圾回收通過保證三色不變式來保證回收的正確性，通過寫屏障來實現(xiàn)業(yè)務賦值器和 gc 回收器正確的并發(fā)的邏輯。其中高概率的提到了“掃描隊列”和“掃描對象”。隊列這個邏輯非常容易理解，那么”掃描對象“ 這個你理解了嗎？有直觀的感受嗎？這篇文章就是要把這個掃描的過程深入剖析下。
- 掃描的東西是啥？形象化描述下
- 怎么去做的掃描？形象化描述下
我們就是要把這兩個抽象的概念搞懂，不能停留在語言級別淺層面，要知其然知其所以然。
掃描的目的
掃描到底是為了什么？
之前的文章我們深入剖析了垃圾回收的理論和實現(xiàn)，可以總結這么節(jié)點：
- 垃圾回收的根本目的是：“回收那些業(yè)務永遠都不會再使用的內(nèi)存塊”；
- 掃描的目的則是：“把這些不再使用的內(nèi)存塊找出來”；
我們通過地毯式的掃描，從一些 root 起點開始，不斷推進搜索，最終形成了一張有向可達的網(wǎng)，那些不在網(wǎng)里的就是沒有被引用到的，也就是可回收的內(nèi)存。
掃描的實現(xiàn)
掃描對象代碼邏輯其實不簡單，但主體線索很清晰，可以分為三部分：
- 編譯階段：編譯期是非常重要的一環(huán)，針對靜態(tài)類型做好標記準備（旁白：原則上編譯期能做的絕對不留到運行期）；
- 運行階段：賦值器分配內(nèi)存的時候，根據(jù)編譯階段的 type 標示，會為分配的對象內(nèi)存設置好一個對應的指針標示的 bitmap；
- 掃描階段：根據(jù)指針的 bitmap 標示，地毯式掃描；
編譯階段
結構體對齊
要理解編譯階段做的事情，那么首先要理解結構體對齊的基礎知識。這個和 C 語言類似，golang 的結構體是有對齊規(guī)則的，也就是說，必要的時候可能會填充一些內(nèi)存空間來滿足對齊的要求?？偨Y來說兩條規(guī)則：
- 長度要對齊
- 地址要對齊
“長度要對齊”怎么理解？
結構體的長度要至少是內(nèi)部最長的基礎字段的整數(shù)倍。
舉例：
type TestStruct struct {
ptr uintptr // 8
f1 uint32 // 4
f2 uint8 // 1
}
這個結構體內(nèi)存占用 size 多大？
答案是：16個字節(jié)，因為字段 ptr 是 uintptr 類型，占 8 字節(jié)，是內(nèi)部字段最大的，TestStruct 整體長度要和 8 字節(jié)對齊。那么就是 16 字節(jié)了，而不是有些人想的 13 字節(jié)（8+4+1）。
dlv 調(diào)試如下：
(dlv) p typ
*runtime._type {
size: 16,
...
字節(jié)示意圖：
｜--8 Byte--｜--4 Byte--|--4 Byte--|
“地址要對齊”怎么理解？
字段的地址偏移要是自身長度的整數(shù)倍。
舉例：
type TestStruct struct {
ptr uintptr // 8
f1 uint8 // 1
f2 uint32 // 4
}
假設 new 一個 TestStruct 結構體 a 的地址是 0xc00008a010 ，那么 &a.ptr 是 0xc00008a010 (= a + 0)，&a.f1 是 0xc00008a018 (= a + 8) ，&a.f2 是 0xc00008a01c (= a + 8 + 4) 。
dlv 調(diào)試如下：
(dlv) p &a.ptr (*uintptr)(0xc00008a010) (dlv) p &a.f1 (*uint8)(0xc00008a018) (dlv) p &a.f2 (*uint32)(0xc00008a01c)
假設 TestStruct 分配對象 a 的地址是 0xc00008a010 ，解釋如下：
- ptr 是第一個字段，當然和結構體本身地址一樣，相對偏移是 0，所以地址是
0xc00008a010 == 0xc00008a010 + 0； - f1 是第二個字段，由于前一個字段 ptr 是 uintptr 類型（8字節(jié)），并且由于 f1 本身是 uint8 類型（1字節(jié)），所以 f1 從 8 偏移開始沒毛病，所以 f1 的偏移地址從
0xc00008a018 == 0xc00008a010 + 8； - f2 是第三個字段，由于前一個字段 f1 是 uint8（1字節(jié)），所以表面上看好像 f2 要接著
0xc00008a019(= 0xc00008a018 +1) 這個地址才對，但是 f2 本身是 uint32 （4字節(jié)的類型），所以 f2 地址偏移至少要是 4 的倍數(shù)，所以 f2 的地址要從0xc00008a01c（0xc00008a018 + 4）這個地址開始才對。也就是說，f1 到 f2 之間填充了一些不用的空間，為了地址對齊。
所以這樣算下來，整個 TestStruct 的占用空間長度是 16字節(jié) （8+1+3+4）。
指針位標記
golang 的所有類型都對應一個 _type 結構，可以在 runtime/type.go 里面找到，定義如下：
type _type struct {
size uintptr
ptrdata uintptr // size of memory prefix holding all pointers
hash uint32
tflag tflag
align uint8
fieldalign uint8
kind uint8
alg *typeAlg
// gcdata stores the GC type data for the garbage collector.
// If the KindGCProg bit is set in kind, gcdata is a GC program.
// Otherwise it is a ptrmask bitmap. See mbitmap.go for details.
gcdata *byte
str nameOff
ptrToThis typeOff
}
比如我們定義了一個 Struct 如下：
type TestStruct struct {
ptr uintptr
f1 uint8
f2 *uint8
f3 uint32
f4 *uint64
f5 uint64
}
該結構 dlv 調(diào)試如下：
(dlv) p typ
*runtime._type {
size: 48,
ptrdata: 40,
hash: 4075663022,
tflag: tflagUncommon|tflagExtraStar|tflagNamed (7),
align: 8,
fieldalign: 8,
kind: 25,
alg: *runtime.typeAlg {hash: type..hash.main.TestStruct, equal: type..eq.main.TestStruct},
gcdata: *20,
str: 28887,
ptrToThis: 49504,}
在編譯期間，編譯器就會在內(nèi)部生成一個 _type 結構體與之對應。_type 里面重點解釋幾個和本次掃描主題相關的字段：
1.size：類型長度，我們上面這個類型長度應該是 32 字節(jié)；
這里理解要應用上上面講的結構體字節(jié)對齊的知識，這里就不再復述；
2.ptrdata：指針截止的長度位置，我們 f4 是指針，所以包含指針的字段最多也就到 40 字節(jié)的位置，ptrdata==40；
要理解字節(jié)對齊哈;
3.kind：表明類型，我們是自定義struct類型，所以 kind == 25
kind 枚舉定義在 runtime/typekind.go 文件里；
4.gcdata：這個就重要了，這個就是指針的 bitmap，因為編譯器他在編譯分析的時候，肯定就知道了所有的類型結構，那么自然知道所有的指針位置。gcdata 是 *byte 類型（byte 數(shù)組），當前值是 20，20 轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)據(jù)就是 00010100 ，這個眼熟不？這個你要從右往左看就是 00101000（從低 bit 往高 bit 看），這個不就是剛好是 TestStruct 的指針 bitmap 嘛，每個 bit 表示一個指針大小（8 字節(jié)）的內(nèi)存，00101000 第 3 個 bit 和第 5 個 bit 是 1，表示 第 3 個字段（第 3 個 8 字節(jié)的位置）和第 5 個字段（第 5 個 8 字節(jié)的位置）是存儲的是指針類型，這里剛好就和 TestStruct.f2 和 TestStruct.f4 對應起來。
劃重點：這里重點回顧一下 uintptr 類型的問題，這里注意到，第一個字段 ptr（uintptr 類型）在指針的 bitmap 上是沒有標記成指針類型的，這里一定要注意了，uintptr 是數(shù)值類型，非指針類型，用這個存儲指針是無法保護對象的（掃描的時候 uintptr 指向的對象不會被掃描），這里就是實錘了。
小結：
編譯階段給每個類型生成 _type 類型，內(nèi)部對類型字段生成指針的 bitmap，這個是后面掃描行為的基礎依據(jù)。
思考題：是否可以不用 bitmap，其實有個最簡單最笨拙的掃描方式，我們可以不搞這個指針的 bitmap，我上來就直接掃描，每 8 字節(jié)的讀取內(nèi)存，然后去看這個內(nèi)存塊存儲的值是否指向了一個對象？如果是我就保護起來。
這個實現(xiàn)理論上可以滿足，但是有兩個不能接受的缺陷：
- 精度太低，你編譯期間不做準備，那運行期間就要來償還這部分損耗，你無法判斷是不是指針，所以只要指向了一個有效內(nèi)存地址，就得無腦保護，這樣就保護了很多不需要保護的內(nèi)存塊；
- 掃描太低效，必須全地址掃描，因為你沒有 bitmap，無法識別是否有指針。也無法做優(yōu)化，比如我們程序里面可能 一半以上的類型內(nèi)是不包含指針的，這種根本就不需要掃描；
運行期內(nèi)存分配
下一步就是賦值器的做的事情，也就是業(yè)務運行的過程中分配內(nèi)存。分配內(nèi)存的時候肯定要指定類型，調(diào)用 runtime.newobject 函數(shù)進行分配，本質(zhì)上調(diào)用 mallocgc 函數(shù)來操作。mallocgc 函數(shù)做幾件事情：
- 分配內(nèi)存
- 內(nèi)存采樣
- gc 標記準備
我們這里重點分析給 gc 做掃描做的準備。在分配完堆內(nèi)存之后，會調(diào)用一個函數(shù) heapBitsSetType ，這個函數(shù)邏輯非常復雜，但是做的事情其實一句話能概括：“給 gc 掃描做準備，對分配的內(nèi)存塊做好標記，這小塊內(nèi)存中，哪些位置是指針，我們用一個 bitmap 對應記錄下來”。這就是 heapBitsSetType 500 多行代碼做的所有事情，之所以這么復雜是因為要判斷各種情況。
heapBitsSetType 主要邏輯解析：
func heapBitsSetType(x, size, dataSize uintptr, typ *_type) {
// ...
// 最重要的兩個步驟：
// 通過分配地址反查獲取到 heap 的 heapBits 結構（回憶下 golang 的內(nèi)存地址管理）
h := heapBitsForAddr(x)
// 獲取到類型的指針 bitmap；
ptrmask := typ.gcdata // start of 1-bit pointer mask (or GC program, handled below)
var (
// ...
)
// 把 h.bitp 這個堆上的 bitmap 取出來；
hbitp = h.bitp
// 該類型的指針 bitmap
p = ptrmask
// ...
if p != nil {
// 把 bitmap 第一個字節(jié)保存起來
b = uintptr(*p)
// p 指向下一個字節(jié)
p = add1(p)
//
nb = 8
}
// 我們的是簡單的 Struct 結構（48==48）
if typ.size == dataSize {
// nw == 5 == 40/8，說明掃描到第 5 個字段為止即可。
// ptrdata 指明有指針的范圍在[0, 40]以內(nèi)，再往外確定就沒有指針字段了；
nw = typ.ptrdata / sys.PtrSize
} else {
nw = ((dataSize/typ.size-1)*typ.size + typ.ptrdata) / sys.PtrSize
}
switch {
default:
throw("heapBitsSetType: unexpected shift")
case h.shift == 0:
// b 是類型的 ptr bitmap => 00010100
// bitPointerAll => 00001111
// hb => 0000 0100
hb = b & bitPointerAll
// bitScan => 0001 0000
// 0001 0000 | 0100 0000 | 1000 0000
// hb => 1101 0100
hb |= bitScan | bitScan<<(2*heapBitsShift) | bitScan<<(3*heapBitsShift)
// 賦值 hbitp => 1101 0100
*hbitp = uint8(hb)
// 指針往后一個字節(jié)（遞進一個字節(jié)）
hbitp = add1(hbitp)
// b => 0000 0001
b >>= 4
// nb => 4
nb -= 4
case sys.PtrSize == 8 && h.shift == 2:
// ...
}
// ...
// 處理完了前 4 bit，接下來處理后 4 bit
nb -= 4
for {
// b => 0000 0001
// hb => 0000 0001
hb = b & bitPointerAll
// hb => 1111 0001
hb |= bitScanAll
if w += 4; w >= nw {
// 處理完了，有指針的字段都包含在已經(jīng)處理的 ptrmask 范圍內(nèi)了
break
}
// ...
}
Phase3:
// Phase 3: Write last byte or partial byte and zero the rest of the bitmap entries.
// 8 > 5
if w > nw {
// mask => 1
mask := uintptr(1)<<(4-(w-nw)) - 1
// hb => 0001 0001
hb &= mask | mask<<4 // apply mask to both pointer bits and scan bits
}
// nw => 6
nw = size / sys.PtrSize
// ...
if w == nw+2 {
// 賦值 hbitp => 0001 0001
*hbitp = *hbitp&^(bitPointer|bitScan|(bitPointer|bitScan)<<heapBitsShift) | uint8(hb)
}
Phase4:
// Phase 4: Copy unrolled bitmap to per-arena bitmaps, if necessary.
// ...
}
所以，上面函數(shù)調(diào)用完，h.bitp 就給設置上了：
低字節(jié) -> 高字節(jié) [ 1101 0100 ]， [ 0001 0001 ] |–前4*8字節(jié)–|–后4*8字節(jié)–|
這個就是 mallocgc 內(nèi)存的時候做的事情。
總結就一句話：根據(jù)編譯期間針對每個 struct 生成的 type 結構，來設置 gc 需要掃描的位圖，也就是指針 bitmap。（旁白：每分配一塊內(nèi)存出去，我都會有一個 bitmap 對應到這個內(nèi)存塊，指明哪些地方有指針）。
運行掃描階段
1.掃描以 markroot 開始，從棧，全局變量，寄存器等根對象開始掃描，創(chuàng)建一個有向引用圖，把根對象投入到隊列中，重點的一個函數(shù)就是 scanstack 。
2.另外異步的 goroutine 運行 gcDrain 函數(shù)，從隊列里消費對象，并且掃描這個對象；
掃描調(diào)用的就是 scanobject 函數(shù)
下面重點介紹：scanstack，scanobject 這個函數(shù)怎么掃描對象。
scanstack
這個函數(shù)是起點函數(shù)（ 起始最原始的還是 markroot，但是我們這里梳理主線 ），該掃描棧上所有可達對象，因為棧是一個根，因為你做事情總要有個開始的地方，那么“棧”就是 golang 的起點。
func scanstack(gp *g, gcw *gcWork) {
// ...
// 掃描棧上所有的可達的對象
state.buildIndex()
for {
p := state.getPtr()
if p == 0 {
break
}
// 獲取一個到棧上對象
obj := state.findObject(p)
if obj == nil {
continue
}
// 獲取到這個對象的類型
t := obj.typ
// ...
// 獲取到這個類型內(nèi)存塊的 ptr 的 bitmap（編譯期間編譯器設置好）
gcdata := t.gcdata
var s *mspan
if t.kind&kindGCProg != 0 {
s = materializeGCProg(t.ptrdata, gcdata)
gcdata = (*byte)(unsafe.Pointer(s.startAddr))
}
// 掃描這個對象
// 起點：對象起始地址 => state.stack.lo + obj.off
// 終點：t.ptrdata （還記得這個吧，這個指明了指針所在內(nèi)的邊界）
// 指針 bitmap：t.gcdata
scanblock(state.stack.lo+uintptr(obj.off), t.ptrdata, gcdata, gcw, &state)
if s != nil {
dematerializeGCProg(s)
}
}
// ...
}
小結：：
- 找到這個 goroutine 棧上的內(nèi)存對象（一個個找，一個個處理）；
- 找到對象之后，獲取到這個對象的 type 結構，然后取出 type.ptrdata, type.gcdata ，從而我們就知道掃描的內(nèi)存范圍，和內(nèi)存塊上指針的所在位置；
- 調(diào)用 scanblock 掃描這個內(nèi)存塊；
scanblock
scanblock 這個函數(shù)不說你應該知道，這是一個非常底層且通用的函數(shù)，他的一切參數(shù)都是傳入的，這個函數(shù)作為一個基礎函數(shù)被很多地方調(diào)用：
/*
b0: 掃描開始的位置
n0: 掃描結束的長度
ptrmask: 指針的 bitmap
*/
func scanblock(b0, n0 uintptr, ptrmask *uint8, gcw *gcWork, stk *stackScanState) {
b := b0
n := n0
// 掃描到長度 n 為止；
for i := uintptr(0); i < n; {
// 每個 bit 標識一個 8 字節(jié)，8個 bit （1個字節(jié)）標識 64 個字節(jié)；
// 這里計算到合適的 bits
bits := uint32(*addb(ptrmask, i/(sys.PtrSize*8)))
// 如果整個 bits == 0，那么說明這 8 個 8 字節(jié)都沒有指針引用，可以直接跳到下一輪
if bits == 0 {
i += sys.PtrSize * 8
continue
}
// bits 非0，說明內(nèi)部有指針引用，就必須一個個掃描查看；
for j := 0; j < 8 && i < n; j++ {
// 指針類型？只有標識了指針類型的，才有可能走到下面的邏輯去；
if bits&1 != 0 {
p := *(*uintptr)(unsafe.Pointer(b + i))
if p != 0 {
if obj, span, objIndex := findObject(p, b, i); obj != 0 {
// 如果這 8 字節(jié)指向的是可達的內(nèi)存對象，那么就投入掃描隊列（置灰）保護起來；
greyobject(obj, b, i, span, gcw, objIndex)
} else if stk != nil && p >= stk.stack.lo && p < stk.stack.hi {
stk.putPtr(p)
}
}
}
bits >>= 1
i += sys.PtrSize
}
}
}
如果以上面的 TestStruct 結構舉例的話，假設在棧上分配了對象 TestStruct{}，地址是 0xc00007cf20，那么會從這個地址掃描 scanblock ( 0xc00007cf20, 40, 20, xxx)
type TestStruct struct {
ptr uintptr
f1 uint8
f2 *uint8
f3 uint32
f4 *uint64
f5 uint64
}
示意圖如下：
最外層 for 循環(huán)一次就夠了，里面 for 循環(huán) 5 次，掃描到 f4 字段就完了（還記得 type.ptrdata == 40 吧 ）。只有 f2 ，f4 字段才會作為指針去掃描。如果 f2, f4 字段存儲的是有效的指針，那么指向的對象會被保護起來（greyobject）。
小結：
scanblock這個函數(shù)非常簡單，只掃描給定的一段內(nèi)存塊；- 大循環(huán)每次遞進 64 個字節(jié)，小循環(huán)每次遞進 8 字節(jié)；
- 是否作為指針掃描是由 ptrmask 指定的；
- 只要長度和地址是對齊的，指針類型按 8 字節(jié)對齊，那么我們按照 8 字節(jié)遞進掃描一定是全方位覆蓋，不會漏掉一個對象的；
- 再次提醒下，uintptr 是數(shù)值類型，編譯器不會標識成指針類型，所以不受掃描保護；
scanobject
gcDrain 這個函數(shù)就是從隊列里不斷獲取，處理這些對象，最重要的一個就是調(diào)用 scanobject 繼續(xù)掃描對象。
markroot 從根（棧）掃描，把掃描到的對象投入掃描隊列。gcDrain 等函數(shù)從里面不斷獲取，不斷處理，并且掃描這些對象，進一步挖掘引用關系，當掃描結束之后，那些沒有掃描到的就是垃圾了。
還是 TestStruct 舉例：
type TestStruct struct {
ptr uintptr
f1 uint8
f2 *uint8
f3 uint32
f4 *uint64
f5 uint64
}
如果一個創(chuàng)建在堆上的 TestStruct 對象被投入到掃描隊列，對應的 type.gcdata 是 0001 0100 ，TestStruct 對應編譯器創(chuàng)建的 type 類型如下：
(dlv) p typ
*runtime._type {
size: 48,
ptrdata: 40,
...
gcdata: *20,
... }
scanobject 邏輯如下：
/*
b : 是對象的內(nèi)存地址
gcw : 是掃描隊列的封裝
*/
func scanobject(b uintptr, gcw *gcWork) {
// 通過對象地址 b 獲取到這塊內(nèi)存地址對應的 hbits
hbits := heapBitsForAddr(b)
// 通過對象地址 b 獲取到這塊內(nèi)存地址所在的 span
s := spanOfUnchecked(b)
// span 的元素大小
n := s.elemsize
if n == 0 {
throw("scanobject n == 0")
}
// ...
var i uintptr
// 每 8 個字節(jié)處理遞進處理(因為堆上對象分配都是 span，每個 span 的內(nèi)存塊都是定長的，所以掃描邊界就是 span.elemsize )
for i = 0; i < n; i += sys.PtrSize {
if i != 0 {
hbits = hbits.next()
}
// 獲取到內(nèi)存塊的 bitmap
bits := hbits.bits()
// 確認該整個內(nèi)存塊沒有指針，直接跳出，節(jié)約時間；
if i != 1*sys.PtrSize && bits&bitScan == 0 {
break // no more pointers in this object
}
// 確認 bits 對應的小塊內(nèi)存沒有指針，所以可以直接到下一輪
// 如果是指針，那么就往下看看這 8 字節(jié)啥情況
if bits&bitPointer == 0 {
continue // not a pointer
}
// 把這 8 字節(jié)里面存的值取出來；
obj := *(*uintptr)(unsafe.Pointer(b + i))
// 如果 obj 有值，并且合法（不在一個 span 的內(nèi)存塊里）
if obj != 0 && obj-b >= n {
// 如果 obj 指向一個有效的對象，那么把這個對象置灰色，投入掃描隊列，等待處理
if obj, span, objIndex := findObject(obj, b, i); obj != 0 {
greyobject(obj, b, i, span, gcw, objIndex)
}
}
}
// ...
}
小結：
- scanobject 的目的其實很簡單：就是進一步發(fā)現(xiàn)引用關系，盡可能的把可達對象全覆蓋；
- 這個地方就沒有直接使用到 type ，而是使用到 mallocgc 時候的準備成果（ heapBitsSetType 設置），每個內(nèi)存塊都對應了一個指針的 bitmap；
總結
- 要達到“正確并且高效的掃描”需要 編譯期間，運行分配期間，掃描期間 三者配合處理；
- 內(nèi)存對齊是非常重要的一個前提條件；
- 編譯期間生成 type 類型，對用戶定義的類型全方位分析，標記出所有的指針類型字段；
- 運行期間，賦值器分配內(nèi)存的時候，根據(jù) type 結構，設置和對象內(nèi)存一一對應的 bitmap，標明指針所在位置，以便后續(xù) gc 掃描；
- 回收器掃描期間，從根部開始掃描，遇到對象，則置灰，投入隊列，并且不斷的掃描這些對象指向的對象，直到結束。掃描的依據(jù)，就根據(jù)編譯期間生成的 bitmap，分配期間設置的 bitmap 來識別哪些地方有指針，然后進一步處理；
- 掃描只需要給個開始地址，然后每 8 字節(jié)推進就可以掃描了，為了加快效率我們才有了指針的 bitmap （所以這個是個優(yōu)化項）；
- 再次強調(diào)下，定義的非指針類型不受保護，比如 uintptr 里面就算存儲的是一個地址的值，也是不會被掃描到的；
到此這篇關于深度剖析Golang如何實現(xiàn)GC掃描對象的文章就介紹到這了,更多相關Golang GC掃描對象內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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