Go 语言的垃圾回收（Garbage Collection，简称 GC）是其自动内存管理的核心机制，旨在自动识别并回收不再被使用的内存，避免内存泄漏，减轻开发者的手动内存管理负担。Go 的 GC 算法经历了多次迭代优化，目前采用的是并发标记 - 清除（Concurrent Mark and Sweep） 算法，并结合了多种优化技术，以实现低延迟、高吞吐量的目标。

一、Go 垃圾回收的核心目标

Go 的 GC 设计围绕以下核心目标展开：

1. 低延迟：尽可能减少 GC 对程序运行的阻塞时间（Stop-The-World，简称 STW），避免影响用户程序的响应速度。
2. 高吞吐量：在保证低延迟的同时，高效地回收内存，减少 GC 本身的性能开销。
3. 简单高效：算法实现简洁，适配 Go 语言的并发模型（如 goroutine）和内存分配机制。

二、Go 垃圾回收的核心算法：并发标记 - 清除（Concurrent Mark and Sweep）

Go 的 GC 基于追踪式垃圾回收（通过追踪对象的引用关系判断是否存活），核心流程分为标记（Mark） 和清除（Sweep） 两个阶段，且大部分工作在用户程序运行的同时（并发）执行，仅在关键节点需要短暂 STW。

[初始标记] → [并发标记] → [重新标记] → [并发清除](STW)       (并发)       (STW)        (并发)

1. 标记阶段（Mark Phase）

标记阶段的目标是识别出所有存活的对象（被当前程序直接或间接引用的对象），具体流程如下：

• 初始标记（Initial Mark，STW）：

  • 这是标记阶段的第一个步骤，需要短暂 STW（通常只有几微秒到几十微秒）。
  • GC 会暂停所有用户 goroutine，从根对象（Root Set）开始标记直接引用的对象。根对象包括：
    • 全局变量（如包级变量）；
    • 当前运行的 goroutine 的栈内存（局部变量、函数参数等）；
    • 寄存器中的引用（暂存的变量指针）。
  • 初始标记完成后，立即恢复用户程序运行。

• 并发标记（Concurrent Mark）：

  • 初始标记后，用户程序继续运行，GC 同时在后台（由专门的 GC 协程）进行标记。
  • 后台 GC 协程会从初始标记的对象出发，递归遍历所有可达的对象（通过对象的引用指针），并标记为 “存活”。
  • 由于用户程序在运行时可能修改对象的引用关系（如新增、删除指针），Go 采用写屏障（Write Barrier） 技术跟踪这些修改，确保标记的准确性：
    • 写屏障会在用户程序修改指针时（如 a = &b）触发，记录指针的变化，防止并发标记时遗漏或误判对象的存活状态。

• 重新标记（Remark，STW）：

  • 并发标记结束后，需要再次短暂 STW，处理并发标记期间因用户程序修改引用而产生的 “漏标” 对象（称为 “浮动垃圾” 的一部分）。
  • 重新标记会利用写屏障记录的指针变化，快速修正标记结果，确保所有存活对象都被标记。

2. 清除阶段（Sweep Phase）

清除阶段的目标是回收未被标记的对象（即垃圾）所占用的内存，具体流程如下：

• 并发清除（Concurrent Sweep）：
  • 清除阶段完全并发执行，不阻塞用户程序。
  • GC 会遍历堆内存，释放所有未被标记的对象（垃圾），并将其内存块归还给空闲内存池，供后续内存分配使用。
  • 清除过程中，若用户程序需要分配新内存，会优先复用已回收的空闲内存，减少内存碎片。

三、Go GC 的关键优化技术

为实现低延迟和高吞吐量，Go 引入了多项优化技术：

1. 写屏障（Write Barrier）

• 作用：在并发标记阶段，跟踪用户程序对指针的修改，防止因引用关系变化导致的标记错误。
• 实现：Go 使用Dijkstra 写屏障（早期版本）和混合写屏障（Go 1.8 及以后，结合了 Dijkstra 和 Yuasa 写屏障的优势），在指针赋值时插入额外逻辑，记录旧指针和新指针的信息，确保并发标记的准确性。
  
• Dijkstra 写屏障：当修改指针时，将旧指针指向的对象标记为灰色（防止旧对象被漏标）
• Yuasa 写屏障：当修改指针时，将新指针指向的对象标记为灰色（防止新对象被漏标）

• // 伪代码：指针赋值时触发的写屏障
  func writeBarrier(old *T, new *T) {// 1. 将旧指针指向的对象标记为灰色（Dijkstra 逻辑）gray(old)// 2. 将新指针指向的对象标记为灰色（Yuasa 逻辑）gray(new)
  }

2. 三色标记法（Tri-Color Marking）

• 标记阶段通过 “三色” 区分对象的状态，简化并发标记的管理：
  • 白色：未被标记的对象（初始状态，可能是垃圾）；
  • 灰色：已被标记，但引用的子对象尚未遍历（待处理）；
  • 黑色：已被标记，且所有子对象都已遍历（确定存活）。
• 流程：初始标记将根对象设为灰色，并发标记时将灰色对象的子对象标记为灰色、自身设为黑色，最终所有黑色对象为存活，白色为垃圾。

3. 增量 GC 与并发执行

• Go 的 GC 不是一次性完成所有工作，而是将标记和清除阶段拆分为可中断、可并发的步骤，大部分工作与用户程序并行执行，仅在初始标记和重新标记阶段短暂 STW，大幅降低了对程序运行的影响。

4. 内存分代（Generational GC）的部分实现

• 虽然 Go 没有严格的 “分代” 设计（如 Java 的新生代、老年代），但通过对象年龄判断（如频繁分配和回收的小对象更可能被优先处理）和内存块大小分类（如 tiny、small、large 分配器），优化了 GC 对短期对象的回收效率。

5. 自适应触发机制

• GC 触发时机并非固定，而是根据内存分配速率、堆内存大小等动态调整：
  • 当堆内存增长到上次 GC 后堆大小的 2 倍（可通过 GOGC 环境变量调整，默认 100）时触发；
  • 若内存分配速率过快，也会提前触发，避免内存溢出。

三、Go GC 的演进历程

Go 的 GC 算法经过多次重大优化，核心版本演进如下：

• Go 1.0：采用简单的标记 - 清除算法，STW 时间长（毫秒级）。
• Go 1.5：引入并发标记 - 清除，STW 时间缩短至百微秒级。
• Go 1.8：使用混合写屏障，进一步减少 STW 时间（通常低于 100 微秒）。
• Go 1.12+：优化了重新标记阶段的效率，引入更多并发优化，使 STW 时间可稳定在微秒级。