Golang-GC(垃圾回收)的工作原理

在垃圾回收领域，常见算法有标记清除（Mark - Sweep）和引用计数（Reference Count），Go 语言采用的是标记清除算法，并在此基础上借助三色标记法和写屏障技术提升效率。

标记清除算法基础

标记清除收集器属于跟踪式垃圾收集器，执行过程分为标记（Mark）与清除（Sweep）两个阶段：

• 标记阶段：从根对象出发，查找并标记堆中所有存活对象。根对象通常指全局变量、栈上的变量等。

• 清除阶段：遍历堆中的全部对象，回收未被标记的垃圾对象，并将回收的内存加入空闲链表。

该算法存在一个显著问题，即在标记期间需要暂停程序（Stop the world，STW），直到标记结束，用户程序才能继续执行。为减少 STW 时间，实现异步执行，Go 语言引入了三色标记法。

三色标记法

三色标记算法将程序中的对象分为白色、黑色和灰色三类：

• 白色：代表尚未被垃圾回收器访问到的对象。在标记结束后，白色对象会被认定为垃圾对象，等待回收。

• 灰色：表示存活对象，但其子对象还未被处理。

• 黑色：意味着存活对象，且其所有子对象均已被处理。

标记开始时，所有对象都被放入白色集合（此步骤需 STW）。接着，根对象被标记为灰色，并加入灰色集合。垃圾搜集器从灰色集合中取出一个对象，将其标记为黑色，同时将该对象指向的对象标记为灰色并加入灰色集合。重复此过程，直至灰色集合为空，标记阶段结束。此时，白色对象即为需要清理的对象，而黑色对象都是根可达的存活对象，不会被清理。

• 标记过程：
  • 从根对象开始，将根对象标记为灰色并放入灰色集合。
  • 取出灰色集合中的对象，将其标记为黑色，并将其指向的未标记对象标记为灰色放入集合。
  • 重复上述步骤，直到灰色集合为空，此时白色对象为可回收对象。

不过，三色标记法虽允许标记阶段并发执行，但由于引入了白色状态来存放不确定对象，可能会导致一些对象遗漏标记的情况。具体来说，三色标记法是一个存在假阴性（false negative）的算法，即可能把本应回收（不可达）的对象错误地判定为存活对象。在 Go 的垃圾回收机制中，虽通过写屏障等手段尽量避免这种情况，但从理论上该算法存在此特性。

三色标记法并发执行时，还面临一个问题：在 GC 过程中对象指针可能发生改变。例如，假设初始对象引用关系为

A (黑) -> B (灰) -> C (白) -> D (白)，

正常情况下，D 对象最终会被标记为黑色，不应被回收。然而，在标记和用户程序并发执行过程中，若用户程序删除了 C 对 D 的引用，同时 A 获得了 D 的引用，变为

A (黑) -> B (灰) -> C (白) ，A -> D (白)。

由于 A 已在之前的标记过程中被处理为黑色，在当前标记阶段不会再次遍历其引用对象，从而导致 D 无法被标记为黑色，最终可能被误判为垃圾对象回收。

写屏障技术

为解决三色标记法并发执行时对象指针改变导致的问题，Go 语言使用了内存屏障技术。内存屏障是在用户程序读取对象、创建新对象以及更新对象指针时执行的一段代码，类似一个钩子。垃圾收集器采用了写屏障（Write Barrier）技术，当对象新增或更新时，会将其着色为灰色。如此一来，即便与用户程序并发执行且对象引用发生改变，垃圾收集器也能正确处理。

一次完整的 GC 过程

一次完整的 GC 分为以下四个阶段：

• 标记准备（Mark Setup，需 STW）：此阶段打开写屏障。打开写屏障的目的是为了在后续并发标记阶段，确保对象引用关系的改变能被垃圾回收器正确追踪。

• 使用三色标记法标记（Marking, 并发）：利用三色标记法，从根对象开始标记存活对象。

• 标记结束（Mark Termination，需 STW）：关闭写屏障。标记结束后，不再需要通过写屏障来维护对象标记状态的正确性，关闭它可以避免额外的性能开销。

• 清理（Sweeping, 并发）：遍历堆，回收未被标记的白色对象，将这些内存空间加入空闲链表供后续使用。