Go 語言的垃圾回收（Garbage Collection，簡稱 GC）是其自動內存管理的核心機制，旨在自動識別并回收不再被使用的內存，避免內存泄漏，減輕開發者的手動內存管理負擔。Go 的 GC 算法經歷了多次迭代優化，目前采用的是并發標記 - 清除（Concurrent Mark and Sweep）?算法，并結合了多種優化技術，以實現低延遲、高吞吐量的目標。

一、Go 垃圾回收的核心目標

Go 的 GC 設計圍繞以下核心目標展開：

1. 低延遲：盡可能減少 GC 對程序運行的阻塞時間（Stop-The-World，簡稱 STW），避免影響用戶程序的響應速度。
2. 高吞吐量：在保證低延遲的同時，高效地回收內存，減少 GC 本身的性能開銷。
3. 簡單高效：算法實現簡潔，適配 Go 語言的并發模型（如 goroutine）和內存分配機制。

二、Go 垃圾回收的核心算法：并發標記 - 清除（Concurrent Mark and Sweep）

Go 的 GC 基于追蹤式垃圾回收（通過追蹤對象的引用關系判斷是否存活），核心流程分為標記（Mark）?和清除（Sweep）?兩個階段，且大部分工作在用戶程序運行的同時（并發）執行，僅在關鍵節點需要短暫 STW。

[初始標記] → [并發標記] → [重新標記] → [并發清除](STW)       (并發)       (STW)        (并發)

1. 標記階段（Mark Phase）

標記階段的目標是識別出所有存活的對象（被當前程序直接或間接引用的對象），具體流程如下：

• 初始標記（Initial Mark，STW）：

  • 這是標記階段的第一個步驟，需要短暫 STW（通常只有幾微秒到幾十微秒）。
  • GC 會暫停所有用戶 goroutine，從根對象（Root Set）開始標記直接引用的對象。根對象包括：
    • 全局變量（如包級變量）；
    • 當前運行的 goroutine 的棧內存（局部變量、函數參數等）；
    • 寄存器中的引用（暫存的變量指針）。
  • 初始標記完成后，立即恢復用戶程序運行。

• 并發標記（Concurrent Mark）：

  • 初始標記后，用戶程序繼續運行，GC 同時在后臺（由專門的 GC 協程）進行標記。
  • 后臺 GC 協程會從初始標記的對象出發，遞歸遍歷所有可達的對象（通過對象的引用指針），并標記為 “存活”。
  • 由于用戶程序在運行時可能修改對象的引用關系（如新增、刪除指針），Go 采用寫屏障（Write Barrier）?技術跟蹤這些修改，確保標記的準確性：
    • 寫屏障會在用戶程序修改指針時（如?a = &b）觸發，記錄指針的變化，防止并發標記時遺漏或誤判對象的存活狀態。

• 重新標記（Remark，STW）：

  • 并發標記結束后，需要再次短暫 STW，處理并發標記期間因用戶程序修改引用而產生的 “漏標” 對象（稱為 “浮動垃圾” 的一部分）。
  • 重新標記會利用寫屏障記錄的指針變化，快速修正標記結果，確保所有存活對象都被標記。

2. 清除階段（Sweep Phase）

清除階段的目標是回收未被標記的對象（即垃圾）所占用的內存，具體流程如下：

• 并發清除（Concurrent Sweep）：
  • 清除階段完全并發執行，不阻塞用戶程序。
  • GC 會遍歷堆內存，釋放所有未被標記的對象（垃圾），并將其內存塊歸還給空閑內存池，供后續內存分配使用。
  • 清除過程中，若用戶程序需要分配新內存，會優先復用已回收的空閑內存，減少內存碎片。

三、Go GC 的關鍵優化技術

為實現低延遲和高吞吐量，Go 引入了多項優化技術：

1. 寫屏障（Write Barrier）

• 作用：在并發標記階段，跟蹤用戶程序對指針的修改，防止因引用關系變化導致的標記錯誤。
• 實現：Go 使用Dijkstra 寫屏障（早期版本）和混合寫屏障（Go 1.8 及以后，結合了 Dijkstra 和 Yuasa 寫屏障的優勢），在指針賦值時插入額外邏輯，記錄舊指針和新指針的信息，確保并發標記的準確性。
  
• Dijkstra 寫屏障：當修改指針時，將舊指針指向的對象標記為灰色（防止舊對象被漏標）
• Yuasa 寫屏障：當修改指針時，將新指針指向的對象標記為灰色（防止新對象被漏標）

• // 偽代碼：指針賦值時觸發的寫屏障
  func writeBarrier(old *T, new *T) {// 1. 將舊指針指向的對象標記為灰色（Dijkstra 邏輯）gray(old)// 2. 將新指針指向的對象標記為灰色（Yuasa 邏輯）gray(new)
  }

2. 三色標記法（Tri-Color Marking）

• 標記階段通過 “三色” 區分對象的狀態，簡化并發標記的管理：
  • 白色：未被標記的對象（初始狀態，可能是垃圾）；
  • 灰色：已被標記，但引用的子對象尚未遍歷（待處理）；
  • 黑色：已被標記，且所有子對象都已遍歷（確定存活）。
• 流程：初始標記將根對象設為灰色，并發標記時將灰色對象的子對象標記為灰色、自身設為黑色，最終所有黑色對象為存活，白色為垃圾。

3. 增量 GC 與并發執行

• Go 的 GC 不是一次性完成所有工作，而是將標記和清除階段拆分為可中斷、可并發的步驟，大部分工作與用戶程序并行執行，僅在初始標記和重新標記階段短暫 STW，大幅降低了對程序運行的影響。

4. 內存分代（Generational GC）的部分實現

• 雖然 Go 沒有嚴格的 “分代” 設計（如 Java 的新生代、老年代），但通過對象年齡判斷（如頻繁分配和回收的小對象更可能被優先處理）和內存塊大小分類（如 tiny、small、large 分配器），優化了 GC 對短期對象的回收效率。

5. 自適應觸發機制

• GC 觸發時機并非固定，而是根據內存分配速率、堆內存大小等動態調整：
  • 當堆內存增長到上次 GC 后堆大小的 2 倍（可通過?GOGC?環境變量調整，默認 100）時觸發；
  • 若內存分配速率過快，也會提前觸發，避免內存溢出。

三、Go GC 的演進歷程

Go 的 GC 算法經過多次重大優化，核心版本演進如下：

• Go 1.0：采用簡單的標記 - 清除算法，STW 時間長（毫秒級）。
• Go 1.5：引入并發標記 - 清除，STW 時間縮短至百微秒級。
• Go 1.8：使用混合寫屏障，進一步減少 STW 時間（通常低于 100 微秒）。
• Go 1.12+：優化了重新標記階段的效率，引入更多并發優化，使 STW 時間可穩定在微秒級。