这篇文章主要介绍了Golang怎么实现GC扫描对象的相关知识,内容详细易懂,操作简单快捷,具有一定借鉴价值,相信大家阅读完这篇Golang怎么实现GC扫描对象文章都会有所收获,下面我们一起来看看吧。
扫描的目的
扫描到底是为了什么?
之前的文章我们深入剖析了垃圾回收的理论和实现,可以总结这么节点:
垃圾回收的根本目的是:“回收那些业务永远都不会再使用的内存块”;
扫描的目的则是:“把这些不再使用的内存块找出来”;
我们通过地毯式的扫描,从一些 root 起点开始,不断推进搜索,最终形成了一张有向可达的网,那些不在网里的就是没有被引用到的,也就是可回收的内存。
扫描的实现
扫描对象代码逻辑其实不简单,但主体线索很清晰,可以分为三部分:
编译阶段:编译期是非常重要的一环,针对静态类型做好标记准备(旁白:原则上编译期能做的绝对不留到运行期);
运行阶段:赋值器分配内存的时候,根据编译阶段的 type 标示,会为分配的对象内存设置好一个对应的指针标示的 bitmap;
扫描阶段:根据指针的 bitmap 标示,地毯式扫描;
编译阶段
结构体对齐
要理解编译阶段做的事情,那么首先要理解结构体对齐的基础知识。这个和 C 语言类似,golang 的结构体是有对齐规则的,也就是说,必要的时候可能会填充一些内存空间来满足对齐的要求。总结来说两条规则:
长度要对齐
地址要对齐
“长度要对齐”怎么理解?
结构体的长度要至少是内部最长的基础字段的整数倍。
举例:
type TestStruct struct { ptr uintptr // 8 f1 uint32 // 4 f2 uint8 // 1 }
这个结构体内存占用 size 多大?
答案是:16个字节,因为字段 ptr 是 uintptr 类型,占 8 字节,是内部字段最大的,TestStruct 整体长度要和 8 字节对齐。那么就是 16 字节了,而不是有些人想的 13 字节(8+4+1)。
dlv 调试如下:
(dlv) p typ *runtime._type { size: 16, ...
字节示意图:
|--8 Byte--|--4 Byte--|--4 Byte--|
“地址要对齐”怎么理解?
字段的地址偏移要是自身长度的整数倍。
举例:
type TestStruct struct { ptr uintptr // 8 f1 uint8 // 1 f2 uint32 // 4 }
假设
new一个
TestStruct结构体 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 调试如下:
(dlv) p &a.ptr (*uintptr)(0xc00008a010) (dlv) p &a.f1 (*uint8)(0xc00008a018) (dlv) p &a.f2 (*uint32)(0xc00008a01c)
假设 TestStruct 分配对象 a 的地址是
0xc00008a010,解释如下:
ptr 是第一个字段,当然和结构体本身地址一样,相对偏移是 0,所以地址是
0xc00008a010 == 0xc00008a010 + 0;
f1 是第二个字段,由于前一个字段 ptr 是 uintptr 类型(8字节),并且由于 f1 本身是 uint8 类型(1字节),所以 f1 从 8 偏移开始没毛病,所以 f1 的偏移地址从
0xc00008a018 == 0xc00008a010 + 8;
f2 是第三个字段,由于前一个字段 f1 是 uint8(1字节),所以表面上看好像 f2 要接着
0xc00008a019(= 0xc00008a018 +1) 这个地址才对,但是 f2 本身是 uint32 (4字节的类型),所以 f2 地址偏移至少要是 4 的倍数,所以 f2 的地址要从
0xc00008a01c(0xc00008a018 + 4)这个地址开始才对。也就是说,f1 到 f2 之间填充了一些不用的空间,为了地址对齐。
所以这样算下来,整个
TestStruct的占用空间长度是 16字节 (8+1+3+4)。
指针位标记
golang 的所有类型都对应一个
_type结构,可以在
runtime/type.go里面找到,定义如下:
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 }
比如我们定义了一个 Struct 如下:
type TestStruct struct { ptr uintptr f1 uint8 f2 *uint8 f3 uint32 f4 *uint64 f5 uint64 }
该结构 dlv 调试如下:
(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,}
在编译期间,编译器就会在内部生成一个
_type结构体与之对应。
_type里面重点解释几个和本次扫描主题相关的字段:
1.size:类型长度,我们上面这个类型长度应该是 32 字节;
这里理解要应用上上面讲的结构体字节对齐的知识,这里就不再复述;
2.ptrdata:指针截止的长度位置,我们 f4 是指针,所以包含指针的字段最多也就到 40 字节的位置,ptrdata==40;
要理解字节对齐哈;
3.kind:表明类型,我们是自定义struct类型,所以 kind == 25
kind 枚举定义在
runtime/typekind.go文件里;
4.gcdata:这个就重要了,这个就是指针的 bitmap,因为编译器他在编译分析的时候,肯定就知道了所有的类型结构,那么自然知道所有的指针位置。gcdata 是
*byte类型(byte 数组),当前值是 20,20 转换成二进制数据就是
00010100,这个眼熟不?这个你要从右往左看就是
00101000(从低 bit 往高 bit 看),这个不就是刚好是
TestStruct的指针 bitmap 嘛,每个 bit 表示一个指针大小(8 字节)的内存,
00101000第 3 个 bit 和第 5 个 bit 是 1,表示 第 3 个字段(第 3 个 8 字节的位置)和第 5 个字段(第 5 个 8 字节的位置)是存储的是指针类型,这里刚好就和
TestStruct.f2和
TestStruct.f4对应起来。
划重点:这里重点回顾一下 uintptr 类型的问题,这里注意到,第一个字段 ptr(uintptr 类型)在指针的 bitmap 上是没有标记成指针类型的,这里一定要注意了,uintptr 是数值类型,非指针类型,用这个存储指针是无法保护对象的(扫描的时候 uintptr 指向的对象不会被扫描),这里就是实锤了。
小结:
编译阶段给每个类型生成
_type类型,内部对类型字段生成指针的 bitmap,这个是后面扫描行为的基础依据。
思考题:是否可以不用 bitmap,其实有个最简单最笨拙的扫描方式,我们可以不搞这个指针的 bitmap,我上来就直接扫描,每 8 字节的读取内存,然后去看这个内存块存储的值是否指向了一个对象?如果是我就保护起来。
这个实现理论上可以满足,但是有两个不能接受的缺陷:
精度太低,你编译期间不做准备,那运行期间就要来偿还这部分损耗,你无法判断是不是指针,所以只要指向了一个有效内存地址,就得无脑保护,这样就保护了很多不需要保护的内存块;
扫描太低效,必须全地址扫描,因为你没有 bitmap,无法识别是否有指针。也无法做优化,比如我们程序里面可能 一半以上的类型内是不包含指针的,这种根本就不需要扫描;
运行期内存分配
下一步就是赋值器的做的事情,也就是业务运行的过程中分配内存。分配内存的时候肯定要指定类型,调用
runtime.newobject函数进行分配,本质上调用 mallocgc 函数来操作。mallocgc 函数做几件事情:
分配内存
内存采样
gc 标记准备
我们这里重点分析给 gc 做扫描做的准备。在分配完堆内存之后,会调用一个函数
heapBitsSetType,这个函数逻辑非常复杂,但是做的事情其实一句话能概括:“给 gc 扫描做准备,对分配的内存块做好标记,这小块内存中,哪些位置是指针,我们用一个 bitmap 对应记录下来”。这就是
heapBitsSetType500 多行代码做的所有事情,之所以这么复杂是因为要判断各种情况。
heapBitsSetType主要逻辑解析:
func heapBitsSetType(x, size, dataSize uintptr, typ *_type) { // ... // 最重要的两个步骤: // 通过分配地址反查获取到 heap 的 heapBits 结构(回忆下 golang 的内存地址管理) h := heapBitsForAddr(x) // 获取到类型的指针 bitmap; ptrmask := typ.gcdata // start of 1-bit pointer mask (or GC program, handled below) var ( // ... ) // 把 h.bitp 这个堆上的 bitmap 取出来; hbitp = h.bitp // 该类型的指针 bitmap p = ptrmask // ... if p != nil { // 把 bitmap 第一个字节保存起来 b = uintptr(*p) // p 指向下一个字节 p = add1(p) // nb = 8 } // 我们的是简单的 Struct 结构(48==48) if typ.size == dataSize { // nw == 5 == 40/8,说明扫描到第 5 个字段为止即可。 // ptrdata 指明有指针的范围在[0, 40]以内,再往外确定就没有指针字段了; 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 是类型的 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) // 赋值 hbitp => 1101 0100 *hbitp = uint8(hb) // 指针往后一个字节(递进一个字节) hbitp = add1(hbitp) // b => 0000 0001 b >>= 4 // nb => 4 nb -= 4 case sys.PtrSize == 8 && h.shift == 2: // ... } // ... // 处理完了前 4 bit,接下来处理后 4 bit nb -= 4 for { // b => 0000 0001 // hb => 0000 0001 hb = b & bitPointerAll // hb => 1111 0001 hb |= bitScanAll if w += 4; w >= nw { // 处理完了,有指针的字段都包含在已经处理的 ptrmask 范围内了 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 { // 赋值 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,上面函数调用完,h.bitp 就给设置上了:
低字节 -> 高字节 [ 1101 0100 ], [ 0001 0001 ] |–前4*8字节–|–后4*8字节–|
这个就是 mallocgc 内存的时候做的事情。
总结就一句话:根据编译期间针对每个 struct 生成的 type 结构,来设置 gc 需要扫描的位图,也就是指针 bitmap。(旁白:每分配一块内存出去,我都会有一个 bitmap 对应到这个内存块,指明哪些地方有指针)。
运行扫描阶段
1.扫描以
markroot开始,从栈,全局变量,寄存器等根对象开始扫描,创建一个有向引用图,把根对象投入到队列中,重点的一个函数就是
scanstack。
2.另外异步的
goroutine运行
gcDrain函数,从队列里消费对象,并且扫描这个对象;
扫描调用的就是
scanobject函数
下面重点介绍:
scanstack,
scanobject这个函数怎么扫描对象。
scanstack
这个函数是起点函数( 起始最原始的还是 markroot,但是我们这里梳理主线 ),该扫描栈上所有可达对象,因为栈是一个根,因为你做事情总要有个开始的地方,那么“栈”就是 golang 的起点。
func scanstack(gp *g, gcw *gcWork) { // ... // 扫描栈上所有的可达的对象 state.buildIndex() for { p := state.getPtr() if p == 0 { break } // 获取一个到栈上对象 obj := state.findObject(p) if obj == nil { continue } // 获取到这个对象的类型 t := obj.typ // ... // 获取到这个类型内存块的 ptr 的 bitmap(编译期间编译器设置好) gcdata := t.gcdata var s *mspan if t.kind&kindGCProg != 0 { s = materializeGCProg(t.ptrdata, gcdata) gcdata = (*byte)(unsafe.Pointer(s.startAddr)) } // 扫描这个对象 // 起点:对象起始地址 => state.stack.lo + obj.off // 终点:t.ptrdata (还记得这个吧,这个指明了指针所在内的边界) // 指针 bitmap:t.gcdata scanblock(state.stack.lo+uintptr(obj.off), t.ptrdata, gcdata, gcw, &state) if s != nil { dematerializeGCProg(s) } } // ... }
小结::
找到这个 goroutine 栈上的内存对象(一个个找,一个个处理);
找到对象之后,获取到这个对象的 type 结构,然后取出 type.ptrdata, type.gcdata ,从而我们就知道扫描的内存范围,和内存块上指针的所在位置;
调用 scanblock 扫描这个内存块;
scanblock
scanblock这个函数不说你应该知道,这是一个非常底层且通用的函数,他的一切参数都是传入的,这个函数作为一个基础函数被很多地方调用:
/* b0: 扫描开始的位置 n0: 扫描结束的长度 ptrmask: 指针的 bitmap */ func scanblock(b0, n0 uintptr, ptrmask *uint8, gcw *gcWork, stk *stackScanState) { b := b0 n := n0 // 扫描到长度 n 为止; for i := uintptr(0); i < n; { // 每个 bit 标识一个 8 字节,8个 bit (1个字节)标识 64 个字节; // 这里计算到合适的 bits bits := uint32(*addb(ptrmask, i/(sys.PtrSize*8))) // 如果整个 bits == 0,那么说明这 8 个 8 字节都没有指针引用,可以直接跳到下一轮 if bits == 0 { i += sys.PtrSize * 8 continue } // bits 非0,说明内部有指针引用,就必须一个个扫描查看; for j := 0; j < 8 && i < n; j++ { // 指针类型?只有标识了指针类型的,才有可能走到下面的逻辑去; if bits&1 != 0 { p := *(*uintptr)(unsafe.Pointer(b + i)) if p != 0 { if obj, span, objIndex := findObject(p, b, i); obj != 0 { // 如果这 8 字节指向的是可达的内存对象,那么就投入扫描队列(置灰)保护起来; 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 结构举例的话,假设在栈上分配了对象 TestStruct{},地址是
0xc00007cf20,那么会从这个地址扫描
scanblock ( 0xc00007cf20, 40, 20, xxx)
type TestStruct struct { ptr uintptr f1 uint8 f2 *uint8 f3 uint32 f4 *uint64 f5 uint64 }
示意图如下:
最外层 for 循环一次就够了,里面 for 循环 5 次,扫描到 f4 字段就完了(还记得
type.ptrdata == 40吧 )。只有 f2 ,f4 字段才会作为指针去扫描。如果 f2, f4 字段存储的是有效的指针,那么指向的对象会被保护起来(greyobject)。
小结:
scanblock这个函数非常简单,只扫描给定的一段内存块;
大循环每次递进 64 个字节,小循环每次递进 8 字节;
是否作为指针扫描是由 ptrmask 指定的;
只要长度和地址是对齐的,指针类型按 8 字节对齐,那么我们按照 8 字节递进扫描一定是全方位覆盖,不会漏掉一个对象的;
再次提醒下,uintptr 是数值类型,编译器不会标识成指针类型,所以不受扫描保护;
scanobject
gcDrain 这个函数就是从队列里不断获取,处理这些对象,最重要的一个就是调用 scanobject 继续扫描对象。
markroot 从根(栈)扫描,把扫描到的对象投入扫描队列。gcDrain 等函数从里面不断获取,不断处理,并且扫描这些对象,进一步挖掘引用关系,当扫描结束之后,那些没有扫描到的就是垃圾了。
还是 TestStruct 举例:
type TestStruct struct { ptr uintptr f1 uint8 f2 *uint8 f3 uint32 f4 *uint64 f5 uint64 }
如果一个创建在堆上的
TestStruct对象被投入到扫描队列,对应的
type.gcdata是
0001 0100,
TestStruct对应编译器创建的 type 类型如下:
(dlv) p typ *runtime._type { size: 48, ptrdata: 40, ... gcdata: *20, ... }
scanobject逻辑如下:
/* b : 是对象的内存地址 gcw : 是扫描队列的封装 */ func scanobject(b uintptr, gcw *gcWork) { // 通过对象地址 b 获取到这块内存地址对应的 hbits hbits := heapBitsForAddr(b) // 通过对象地址 b 获取到这块内存地址所在的 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 个字节处理递进处理(因为堆上对象分配都是 span,每个 span 的内存块都是定长的,所以扫描边界就是 span.elemsize ) for i = 0; i < n; i += sys.PtrSize { if i != 0 { hbits = hbits.next() } // 获取到内存块的 bitmap bits := hbits.bits() // 确认该整个内存块没有指针,直接跳出,节约时间; if i != 1*sys.PtrSize && bits&bitScan == 0 { break // no more pointers in this object } // 确认 bits 对应的小块内存没有指针,所以可以直接到下一轮 // 如果是指针,那么就往下看看这 8 字节啥情况 if bits&bitPointer == 0 { continue // not a pointer } // 把这 8 字节里面存的值取出来; obj := *(*uintptr)(unsafe.Pointer(b + i)) // 如果 obj 有值,并且合法(不在一个 span 的内存块里) if obj != 0 && obj-b >= n { // 如果 obj 指向一个有效的对象,那么把这个对象置灰色,投入扫描队列,等待处理 if obj, span, objIndex := findObject(obj, b, i); obj != 0 { greyobject(obj, b, i, span, gcw, objIndex) } } } // ... }
小结:
scanobject 的目的其实很简单:就是进一步发现引用关系,尽可能的把可达对象全覆盖;
这个地方就没有直接使用到 type ,而是使用到 mallocgc 时候的准备成果( heapBitsSetType 设置),每个内存块都对应了一个指针的 bitmap;