9. 什么是写屏障、混合写屏障,如何实现?

要讲清楚写屏障,就需要理解三色标记清除算法中的强弱不变性以及赋值器的颜色,理解他们需要一定的抽象思维。写屏障是一个在并发垃圾回收器中才会出现的概念,垃圾回收器的正确性体现在:不应出现对象的丢失,也不应错误的回收还不需要回收的对象。

可以证明,当以下两个条件同时满足时会破坏垃圾回收器的正确性:

  • 条件 1: 赋值器修改对象图,导致某一黑色对象引用白色对象;
  • 条件 2: 从灰色对象出发,到达白色对象的、未经访问过的路径被赋值器破坏。

只要能够避免其中任何一个条件,则不会出现对象丢失的情况,因为:

  • 如果条件 1 被避免,则所有白色对象均被灰色对象引用,没有白色对象会被遗漏;
  • 如果条件 2 被避免,即便白色对象的指针被写入到黑色对象中,但从灰色对象出发,总存在一条没有访问过的路径,从而找到到达白色对象的路径,白色对象最终不会被遗漏。

我们不妨将三色不变性所定义的波面根据这两个条件进行削弱:

  • 当满足原有的三色不变性定义(或上面的两个条件都不满足时)的情况称为强三色不变性(strong tricolor invariant)
  • 当赋值器令黑色对象引用白色对象时(满足条件 1 时)的情况称为弱三色不变性(weak tricolor invariant)

当赋值器进一步破坏灰色对象到达白色对象的路径时(进一步满足条件 2 时),即打破弱三色不变性, 也就破坏了回收器的正确性;或者说,在破坏强弱三色不变性时必须引入额外的辅助操作。 弱三色不变形的好处在于:只要存在未访问的能够到达白色对象的路径,就可以将黑色对象指向白色对象。

如果我们考虑并发的用户态代码,回收器不允许同时停止所有赋值器,就是涉及了存在的多个不同状态的赋值器。为了对概念加以明确,还需要换一个角度,把回收器视为对象,把赋值器视为影响回收器这一对象的实际行为(即影响 GC 周期的长短),从而引入赋值器的颜色:

  • 黑色赋值器:已经由回收器扫描过,不会再次对其进行扫描。
  • 灰色赋值器:尚未被回收器扫描过,或尽管已经扫描过但仍需要重新扫描。

赋值器的颜色对回收周期的结束产生影响:

  • 如果某种并发回收器允许灰色赋值器的存在,则必须在回收结束之前重新扫描对象图。
  • 如果重新扫描过程中发现了新的灰色或白色对象,回收器还需要对新发现的对象进行追踪,但是在新追踪的过程中,赋值器仍然可能在其根中插入新的非黑色的引用,如此往复,直到重新扫描过程中没有发现新的白色或灰色对象。

于是,在允许灰色赋值器存在的算法,最坏的情况下,回收器只能将所有赋值器线程停止才能完成其跟对象的完整扫描,也就是我们所说的 STW。

为了确保强弱三色不变性的并发指针更新操作,需要通过赋值器屏障技术来保证指针的读写操作一致。因此我们所说的 Go 中的写屏障、混合写屏障,其实是指赋值器的写屏障,赋值器的写屏障作为一种同步机制,使赋值器在进行指针写操作时,能够“通知”回收器,进而不会破坏弱三色不变性。

有两种非常经典的写屏障:Dijkstra 插入屏障和 Yuasa 删除屏障。

灰色赋值器的 Dijkstra 插入屏障的基本思想是避免满足条件 1:

  1. // 灰色赋值器 Dijkstra 插入屏障
  2. func DijkstraWritePointer(slot *unsafe.Pointer, ptr unsafe.Pointer){
  3. shade(ptr)
  4. *slot = ptr
  5. }

为了防止黑色对象指向白色对象,应该假设 *slot 可能会变为黑色,为了确保 ptr 不会在被赋值到 *slot 前变为白色,shade(ptr) 会先将指针 ptr 标记为灰色,进而避免了条件 1。如图所示:

9. 什么是写屏障、混合写屏障,如何实现? - 图1

Dijkstra 插入屏障的好处在于可以立刻开始并发标记。但存在两个缺点:

  1. 由于 Dijkstra 插入屏障的“保守”,在一次回收过程中可能会残留一部分对象没有回收成功,只有在下一个回收过程中才会被回收;
  2. 在标记阶段中,每次进行指针赋值操作时,都需要引入写屏障,这无疑会增加大量性能开销;为了避免造成性能问题,Go 团队在最终实现时,没有为所有栈上的指针写操作,启用写屏障,而是当发生栈上的写操作时,将栈标记为灰色,但此举产生了灰色赋值器,将会需要标记终止阶段 STW 时对这些栈进行重新扫描。

另一种比较经典的写屏障是黑色赋值器的 Yuasa 删除屏障。其基本思想是避免满足条件 2:

  1. // 黑色赋值器 Yuasa 屏障
  2. func YuasaWritePointer(slot *unsafe.Pointer, ptr unsafe.Pointer){
  3. shade(*slot)
  4. *slot = ptr
  5. }

为了防止丢失从灰色对象到白色对象的路径,应该假设 *slot 可能会变为黑色,为了确保 ptr 不会在被赋值到 *slot 前变为白色,shade(*slot) 会先将 *slot 标记为灰色,进而该写操作总是创造了一条灰色到灰色或者灰色到白色对象的路径,进而避免了条件 2。

Yuasa 删除屏障的优势则在于不需要标记结束阶段的重新扫描,结束时候能够准确的回收所有需要回收的白色对象。缺陷是 Yuasa 删除屏障会拦截写操作,进而导致波面的退后,产生“冗余”的扫描:

9. 什么是写屏障、混合写屏障,如何实现? - 图2

Go 在 1.8 的时候为了简化 GC 的流程,同时减少标记终止阶段的重扫成本,将 Dijkstra 插入屏障和 Yuasa 删除屏障进行混合,形成混合写屏障。该屏障提出时的基本思想是:对正在被覆盖的对象进行着色,且如果当前栈未扫描完成,则同样对指针进行着色。

但在最终实现时原提案[4]中对 ptr 的着色还额外包含对执行栈的着色检查,但由于时间有限,并未完整实现过,所以混合写屏障在目前的实现伪代码是:

  1. // 混合写屏障
  2. func HybridWritePointerSimple(slot *unsafe.Pointer, ptr unsafe.Pointer){
  3. shade(*slot)
  4. shade(ptr)
  5. *slot = ptr
  6. }

在这个实现中,如果无条件对引用双方进行着色,自然结合了 Dijkstra 和 Yuasa 写屏障的优势,但缺点也非常明显,因为着色成本是双倍的,而且编译器需要插入的代码也成倍增加,随之带来的结果就是编译后的二进制文件大小也进一步增加。为了针对写屏障的性能进行优化,Go 1.10 前后,Go 团队随后实现了批量写屏障机制。其基本想法是将需要着色的指针统一写入一个缓存,每当缓存满时统一对缓存中的所有 ptr 指针进行着色。

GC 的实现细节