序言

?垃圾回收（Garbage Collection，簡稱 GC）機制 是一種自動內存管理技術，主要用于在程序運行時自動識別并釋放不再使用的內存空間，防止內存泄漏和不必要的資源浪費。這篇文章讓我們來看一下 Go 語言的垃圾回收機制是如何設計的吧。

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一、為什么需要垃圾回收？

?熟悉 C/C++ 編程的同學肯定清楚自己手動管理內存的手段：

• 分配內存：malloc, new
• 釋放內存：free, delete

對待內存管理一定要小心謹慎，不然稍有疏漏就會引起以下嚴重的問題：

• 忘記釋放內存 → 內存泄漏
• 多次釋放同一塊內存 → 崩潰或未定義行為
• 訪問已釋放的內存 → 懸空指針

所以說垃圾回收機制大大的提高了內存管理的下限，但是同時這是以一定的性能開銷換取的。

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二、Go 垃圾回收機制

?我們現在看到的機制都是比較完善的，但是很多時候我們不明白他為什么要這么做，有什么好處？這是因為我們站在巨人的肩膀上，機制是在使用中不斷完善的。所以看事情不能只看現在，明白他大致來時候的路是必要的。

2.1 標記-清掃式垃圾回收（Mark-Sweep GC）

2.1.1 回收流程

?首先當前執行的邏輯暫停（也稱為 Stop-The-World STW），然后標記所有存活對象。從根對象（比如全局變量、當前棧中的局部變量等）開始遍歷所有被引用的對象，并將對象標記為存活狀態：

現在標記的動作完成了，需要回收沒有被引用的空間了。遍歷整個堆的空間，然后對于沒有被標記的對象，釋放其內存：

最后便是恢復程序的執行了，可以看出剛開始的機制還是比較簡單的。

2.1.2 Mark-Sweep 的缺點

?STW 時間長降低了程序的執行的效率。如果當前的程序對于空間的申請和釋放的操作比較頻繁時，執行時的卡頓感會愈發的強烈，因為 STW 這段時間程序是被阻塞的，無法正常運行。
?內存碎片化嚴重。清掃后會產生很多小塊的空閑內存，可能導致大對象無法分配，降低了內存的利用率。
?掃描整個堆。如果當前堆比較大的話，也會拉長 STW 的時間。

這個方式是在 Go V1.4 之前使用的，現在被替換了，但是作為一個引子還是不錯的。

2.2 三色并發垃圾回收（Tri-color Concurrent GC ）

2.2.1 回收流程

?首先在每次創建新的對象的時候將該對象標記為 白色：

現在觸發 GC 了，從根節點遍歷，將該節點 root 指向的堆對象從 white 表 放入 grey 表，由于這里只有一個根對象，所以這里只需要處理 a ：

根上的對象遍歷完成了，現在遍歷 grey 表 將節點 a 指向的對象也全放入 grey 表 ，同時將 a 放入 black 表 表示他的可達對象處理完成了：
之后重復第二部操作直至 grey 表 的數據為空：

到最后我們發現 white 表 只剩下了一個不可達對象 f，這個就是需要回收的空間。縱觀整個過程，其實就是一個廣度遍歷來查找不可達對象的過程。
?比較現有的兩個機制，后者一個很大優點就是 不需要遍歷整個堆來查找不可達對象，因為最開始的時候就記錄了創建的每一個對象。但是我們這里好像少了些什么，不需要 STW 嗎？

2.2.2 假設沒有 STW

?就比如 e 其實是一個可達對象的，但是由于在執行回收的過程中當前的程序也在正常的執行，讓 d 和 e 斷開連接并讓一個新的根節點（比如局部變量）指向 e：

因為對根節點的遍歷只在最初執行一遍，后續不會再遍歷了導致錯誤地判定 e 為不可達對象釋放該空間，這不就錯誤地釋放空間了嗎（也稱為 漏標）。
?最直接的方式就是在回收的過程中加上 STW，但是這個方式的弊端上面也說過了。那怎么辦呢？減少 STW 的時間。

2.2.3 屏障機制

1. 強弱三色不變式

?由于程序的執行和垃圾回收的過程是并發的，就導致了錯誤地回收了某些還需要繼續使用的對象。為了避免這種情況，引入了 三色不變式。
?強三色不變式，所有黑對象不能直接或間接引用白對象。也就是說：如果一個對象已經是黑色，它不能指向任何未被標記的白色對象。
?弱色不變式。所有白對象可以被黑色對象引用，但是這個白色對象必須存在著其他灰色對象對他的引用。

2. 插入寫屏障

滿足：強三色不變式
操作：當一個黑色對象引用一個白色對象之前，先將該白色對象修改為灰色對象，在建立引用：

并且這里還有一個機制是 插入寫屏障只作用于堆對象。因為棧上的變量變更比較頻繁， 如果一變更我們就去執行插入寫屏障會非常的耽誤時間。作為補償，會在整體三色標記清除之后，專門對棧上的空間執行次三色標記掃描并加上 STW 保護。

3. 刪除寫屏障

滿足：弱三色不變式
操作：當一個白色對象被上游刪除引用時，會將將自己修改為灰色對象：

這種方式其實也是延遲回收策略，當真正想刪除該對象時，這一輪他會存活下來，但是下一輪肯定會被帶走。

2.3.4 Tri-color Concurrent 的缺點

?這兩種方式任選一種即可解決漏標的問題，Go V1.8 及以前使用的是刪除寫屏障。該種方式的缺點是：

• 回收精度偏低。本次 GC 過程中需要刪除的對象會在下一輪清除

而插入寫屏障的缺點也不小：

• 會在結束時掃描整個棧，并且伴隨著 STW

那是否可以取長補短互相融合呢？

2.3 混合寫屏障機制（Hybrid Write Barrier）

?將棧上的對象掃描之后全部標記為 黑色，期間任何新增的對象標記為 灰色，任何被刪除的對象也標記為 灰色。這樣節省了掃描整個棧并伴隨的 STW 帶來的性能消耗。

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三、總結

?現在縱觀大體的發展路線，你是否可以理解：混合寫屏障（Hybrid Write Barrier）是一種改進型寫屏障機制，它結合了 刪除寫屏障 和 插入寫屏障 的優點，在并發三色標記中有效地防止漏標問題，并顯著減少了 STW 時間。