深度剖析 Golang 的 GC 扫描对象实现

之前阐述了 golang 垃圾回收通过保证三色不变式来保证回收的正确性，通过写屏障来实现业务赋值器和 gc 回收器正确的并发的逻辑。其中高概率的提到了“扫描队列”和“扫描对象”。队列这个逻辑非常容易理解，那么”扫描对象“ 这个你理解了吗？有直观的感受吗？这篇文章就是要把这个扫描的过程深入剖析下。

1. 扫描的东西是啥？形象化描述下
2. 怎么去做的扫描？形象化描述下

我们就是要把这两个抽象的概念搞懂，不能停留在语言级别浅层面，要知其然知其所以然。

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：

1. 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”；
2. 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：

1. 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）；
2. 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；
3. 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：

1. 长度要对齐
2. 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；
   1. 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；
   1. 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
   1. 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：

1. 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；
2. 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：

1. 分配内存
2. 内存采样
3. 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 heapBitsSetType 500 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；
   1. 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：：

1. 找到这个 goroutine 栈上的内存对象（一个个找，一个个处理）；
2. 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；
3. 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：

1. scanblock 这个函数非常简单，只扫描给定的一段内存块；
2. 大循环每次递进 64 个字节，小循环每次递进 8 字节；
3. 是否作为指针扫描是由 ptrmask 指定的；
4. 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；
5. 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：

1. 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；
2. 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；

总结

1. 要达到“正确并且高效的扫描”需要 编译期间，运行分配期间，扫描期间 三者配合处理；
2. 内存对齐是非常重要的一个前提条件；
3. 编译期间生成 type 类型，对用户定义的类型全方位分析，标记出所有的指针类型字段；
4. 运行期间，赋值器分配内存的时候，根据 type 结构，设置和对象内存一一对应的 bitmap，标明指针所在位置，以便后续 gc 扫描；
5. 回收器扫描期间，从根部开始扫描，遇到对象，则置灰，投入队列，并且不断的扫描这些对象指向的对象，直到结束。扫描的依据，就根据编译期间生成的 bitmap，分配期间设置的 bitmap 来识别哪些地方有指针，然后进一步处理；
6. 扫描只需要给个开始地址，然后每 8 字节推进就可以扫描了，为了加快效率我们才有了指针的 bitmap （所以这个是个优化项）；
7. 再次强调下，定义的非指针类型不受保护，比如 uintptr 里面就算存储的是一个地址的值，也是不会被扫描到的；

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