Golang运行时（Runtime）解析

共计 2357 个字符，预计需要花费 6 分钟才能阅读完成。

go runtime 主要由C语言编写，go1.5之后开始自举，它是每个GO包的最顶级包，代码在$GOROOT/src/runtime目录下。

http://books.studygolang.com/the-way-to-go_ZH_CN/02.7.html

一、GO Runtime是什么？

go没有像Java，.NET有虚拟机，而是和C/C++一样可以直接编译成可执行文件，runtime是会和用户代码一起编译到这个可执行文件中，所以部署时会比Java、Python轻松的多，不需要依赖任何其他文件。

Golang Runtime是go语言运行时所需要的基础设施。

主要包含以下部分：

1. 内存分配
2. 垃圾回收（GC）
3. 栈处理
4. goroutine调度
5. channel、slice、map、reflection等的实现

go的可执行文件包含了用户程序+runtime，与操作系统内核之间的关系如下图。

二、内存分配

2.1 Tcmalloc 算法

Tcmalloc（Thread Caching Malloc）是 google 为 C语言 开发的运行时内存分配算法，其核心思想就是将可用的堆内存采用多级管理，每个线程维护一个独立的内存池，进行内存分配时，优先从内存池里分配，内存池不够用时，才会从全局内存池申请，减少了访问全局内存的频率，从而降低锁的粒度。
Go 的 runtime 的内存分配采用的是类似Tcmalloc的这种结构。

2.2 golang 内存分配

1.10版本及之前

在Linux arm64系统里，Go 程序在启动时，会首先向系统申请一块内存（虚拟内存地址），然后切成小块来进行管理，分为3个区域：spans、bitmap、arena

• arena：堆区，go runtime 在动态分配的内存都在这个区域，最大可扩展到512GB，并且将内存块分成 8kb 的页，一些组合起来的称为 mspan，成为 go 中内存管理的基本单元，这种连续的页一般是操作系统的内存页几倍的大小
• bitmap：主要用来GC，标记堆区使用的映射表（用两个bit表示arena中一个字的可用状态），它记录了那些区域保存了对象，对象是否包含指针，以及 GC 的标记信息，可达16GB（(512GB/8字节一个字)*2/8bit每个字节=16GB）
• spans：存放 mspan 的指针，最大可达512MB（512GB/8KB*指针大小8byte=512MB），根据 spans 区域的信息可以很容易找到 mspan，它可以在 GC 时更快的找到大块的内存 mspan
  1.11版本及之后

改成了两阶稀疏索引的方式，内存管理可用超过512GB，最大可达256TB，内存空间扩展时也可以运行不连续。mheap 中的arenas变成一个二阶数组，一阶只有一个slot（槽），二阶有4M个slot，每个可以管理16M的内存，总共可以管理 4M*16M=256TB内存。bitmap和spans和之前一致。

三、垃圾回收GC

3.1 STW (stop the world)

说GC之前，要先说下STW。不然很多小伙伴可能不明白高级语言的GC玩的那么花的目的是什么。

STW，全称是 stop the world。字面意思是停止整个世界，也挺形象的。实际指的是在GC事件发生的过程中，会产生停顿。而这个停顿产生的时候，整个应用程序的线程都会被暂停，没有任何响应，只有负责GC的线程继续工作。这种停顿的现象就叫做STW。

记住，所有的GC机制都有 STW。所以，各种 GC 算法优化的重点都是减少 STW，Java程序调优JVM的一个重点就是这个。

3.2 Golang 的三色标记法

三色标记法其实也是一种标记-清除算法（mark & sweep）。

相对于普通的标记清除算法，golang进行了改进，采用三色标记法+写屏障来减少STW的时间。

三色标记法

1. 所有对象最开始的都是白色的
2. 从每组对象的root开始找到所有可达对象，标记为灰色，放入灰色待处理队列
3. 遍历所有灰色对象队列，将其引用的对象标记为灰色，放入灰色待处理队列，自身标记为黑色
4. 循环第三步，直至所有灰色队列为空。此时所有引用对象都被标记为黑色，所有不可达对象依然为白色，而白色就是需要进行回收的对象

标记的过程是不需要 STW 的，与应用程序的线程是并发执行的，从而大大的缩短了 STW 的时间。

最开始，A~F对象都是白色的。

接着从这组对象的root往下寻找可达对象，发现了ABC对象，标记为灰色，将其放入灰色待处理队列

然后扫描ABC对象，发现B无引用对象，标记为黑色。A引用了D，C引用了E，故将AC标记黑色，DE标记为灰色继续分析

再接着扫描DE对象，发现没有引用对象，标记为黑色，放入黑色队列

最后将所有白色对象回收

写屏障

因为三色标记的过程和程序是并行的，所以在标记的过程中，如果有新的引用产生，就可能导致误清除（即黑色对象又引用了白色对象）。golang采用了写屏障机制，就是在内存写操作前，维护一个约束，从而确保黑色对象不能引用白色对象。

GC触发条件

1. 内存分配达到一定比例
2. 2分钟没有触发过GC
3. 手动触发，调用runtime.GC()

思考问题：golang垃圾回收机制中怎么判断一个对象是不是根对象呢？

根对象的判断通常是由 Go 运行时（runtime）来完成的。在 GC 开始时，运行时系统会识别出所有的根对象，并将它们标记为灰色。这些根对象通常包括：

全局变量：所有在包级别声明的变量都是根对象。
当前协程（goroutine）的栈：每个活跃的协程都有一个栈，栈上的局部变量也是根对象。
寄存器和线程本地存储（TLS）：某些特定的寄存器值和线程本地存储也可能被视为根对象。

垃圾回收器会从这些根对象开始，通过引用关系遍历对象的图，将所有可达的对象标记为黑色，最终清理掉所有未被标记（即白色）的对象。

四、Goroutine调度模型

详见本站的另一篇文章 GMP调度模型详解