1. 引言

Go 語言自帶垃圾回收（Garbage Collection, GC），讓開發者從手動管理內存的繁重任務中解脫出來。Go 的 GC 以其低延遲和并發性而聞名，其目標是在不長時間暫停（Stop The World, STW）整個程序的情況下完成大部分回收工作。

本文將深入探討 Go GC 的核心算法——并發三色標記清除法，以及其關鍵技術——寫屏障（Write Barrier）。

2. GC 的目標與挑戰

• 目標：回收堆上不再被使用的對象（垃圾），并將內存返還給分配器。

• 挑戰：如何在不影響程序正常運行（即低 STW 時間）的前提下，準確、高效地完成回收？這需要在“mutator”（用戶 Goroutine，會修改對象引用關系）和“collector”（GC Goroutine）之間進行精妙的協調。

3. 核心算法：并發三色標記-清除 (Tri-color Mark-and-Sweep)

Go GC 采用的是三色標記清除算法，它將堆上的對象分為三種顏色：

• 白色 (White)：對象的初始狀態，代表可能是垃圾。在 GC 周期結束時，所有仍然是白色的對象都將被回收。

• 灰色 (Grey)：對象本身已被標記為存活，但其引用的其他對象（其子對象）還沒有被掃描。灰色對象是待處理任務的集合。

• 黑色 (Black)：對象本身和其引用的所有子對象都已被掃描，是確認的存活對象。

GC 流程分為四個主要階段：

1. Mark Setup (STW):

   • 這是一個短暫的 STW 階段（通常在微秒級別）。

   • 主要任務是開啟寫屏障 (Write Barrier)，并準備標記工作。

   • 將所有全局變量和每個 Goroutine 棧上的對象（根對象）放入灰色集合。

2. Marking (Concurrent):

   • 這是 GC 的主要工作階段，與用戶 Goroutine 并發執行。

   • GC Goroutine 會從灰色集合中取出一個對象，將其標記為黑色。

   • 然后掃描該對象的所有指針字段，將其引用的所有白色對象標記為灰色，并放入灰色集合。

   • 這個過程會一直持續，直到灰色集合為空。

3. Mark Termination (STW):

   • 這是另一個短暫的 STW 階段。

   • 主要任務是處理一些在并發標記階段中被寫屏障捕獲的、可能被遺漏的指針修改，并關閉寫屏障。

4. Sweeping (Concurrent):

   • 此階段也與用戶 Goroutine 并發執行。

   • GC 會遍歷堆中的所有 mspan，回收所有仍然是白色對象的內存塊，并將其返還給內存分配器。

4. 關鍵技術：寫屏障 (Write Barrier)

在并發標記階段，如果用戶 Goroutine（mutator）修改了對象的引用關系，可能會破壞三色標記的不變性，導致本應存活的對象被錯誤回收。

危險場景：一個黑色對象引用了一個白色對象，同時該白色對象的所有其他灰色父引用被移除了。如果不加干預，這個白色對象將永遠不會被掃描，最終被當成垃圾回收。

黑色對象 -> 白色對象

為了防止這種情況，Go 引入了寫屏障。寫屏障是編譯器插入的一小段代碼，它會“攔截”所有在堆上的指針寫操作。

混合寫屏障 (Hybrid Write Barrier, Go 1.8+): Go 的混合寫屏障結合了兩種屏障的優點，其核心思想是：

• 它保護的是白色對象：不允許黑色對象直接引用白色對象。

• 工作機制：當 *slot = ptr（一個指針寫操作）發生時，如果 ptr 指向一個白色對象，寫屏障會將 ptr 指向的對象涂成灰色。

通過這種方式，任何可能被黑色對象引用的白色對象都會被“拯救”回來，加入灰色集合，從而保證了 GC 的正確性。

5. GC 的觸發時機

GC 主要由以下條件觸發：

1. 內存分配閾值 (GOGC): 當自上次 GC 以來新分配的內存達到一個閾值時，會自動觸發新的 GC。這個閾值由環境變量 GOGC 控制（默認為 100），表示當堆大小增長 100% 時觸發。

2. 定時觸發: runtime.sysmon 線程會定期檢查，如果距離上次 GC 超過一定時間（默認為 2 分鐘），會強制觸發一次 GC。

3. 手動觸發: 開發者可以調用 runtime.GC() 來手動觸發一次 GC。

6. 總結

Go GC 是一個低延遲、高并發的垃圾回收系統。它通過三色標記清除算法實現了大部分工作的并發執行，通過短暫的 STW 完成必要的同步，并通過混合寫屏障技術保證了在用戶 Goroutine 并發修改對象引用時的正確性。這一系列精巧的設計，是 Go 能夠勝任高并發、低延遲服務場景的重要保障。