1. 引言

Go 语言自带垃圾回收（Garbage Collection, GC），让开发者从手动管理内存的繁重任务中解脱出来。Go 的 GC 以其低延迟和并发性而闻名，其目标是在不长时间暂停（Stop The World, STW）整个程序的情况下完成大部分回收工作。

本文将深入探讨 Go GC 的核心算法——并发三色标记清除法，以及其关键技术——写屏障（Write Barrier）。

2. GC 的目标与挑战

• 目标：回收堆上不再被使用的对象（垃圾），并将内存返还给分配器。

• 挑战：如何在不影响程序正常运行（即低 STW 时间）的前提下，准确、高效地完成回收？这需要在“mutator”（用户 Goroutine，会修改对象引用关系）和“collector”（GC Goroutine）之间进行精妙的协调。

3. 核心算法：并发三色标记-清除 (Tri-color Mark-and-Sweep)

Go GC 采用的是三色标记清除算法，它将堆上的对象分为三种颜色：

• 白色 (White)：对象的初始状态，代表可能是垃圾。在 GC 周期结束时，所有仍然是白色的对象都将被回收。

• 灰色 (Grey)：对象本身已被标记为存活，但其引用的其他对象（其子对象）还没有被扫描。灰色对象是待处理任务的集合。

• 黑色 (Black)：对象本身和其引用的所有子对象都已被扫描，是确认的存活对象。

GC 流程分为四个主要阶段：

1. Mark Setup (STW):

   • 这是一个短暂的 STW 阶段（通常在微秒级别）。

   • 主要任务是开启写屏障 (Write Barrier)，并准备标记工作。

   • 将所有全局变量和每个 Goroutine 栈上的对象（根对象）放入灰色集合。

2. Marking (Concurrent):

   • 这是 GC 的主要工作阶段，与用户 Goroutine 并发执行。

   • GC Goroutine 会从灰色集合中取出一个对象，将其标记为黑色。

   • 然后扫描该对象的所有指针字段，将其引用的所有白色对象标记为灰色，并放入灰色集合。

   • 这个过程会一直持续，直到灰色集合为空。

3. Mark Termination (STW):

   • 这是另一个短暂的 STW 阶段。

   • 主要任务是处理一些在并发标记阶段中被写屏障捕获的、可能被遗漏的指针修改，并关闭写屏障。

4. Sweeping (Concurrent):

   • 此阶段也与用户 Goroutine 并发执行。

   • GC 会遍历堆中的所有 mspan，回收所有仍然是白色对象的内存块，并将其返还给内存分配器。

4. 关键技术：写屏障 (Write Barrier)

在并发标记阶段，如果用户 Goroutine（mutator）修改了对象的引用关系，可能会破坏三色标记的不变性，导致本应存活的对象被错误回收。

危险场景：一个黑色对象引用了一个白色对象，同时该白色对象的所有其他灰色父引用被移除了。如果不加干预，这个白色对象将永远不会被扫描，最终被当成垃圾回收。

黑色对象 -> 白色对象

为了防止这种情况，Go 引入了写屏障。写屏障是编译器插入的一小段代码，它会“拦截”所有在堆上的指针写操作。

混合写屏障 (Hybrid Write Barrier, Go 1.8+): Go 的混合写屏障结合了两种屏障的优点，其核心思想是：

• 它保护的是白色对象：不允许黑色对象直接引用白色对象。

• 工作机制：当 *slot = ptr（一个指针写操作）发生时，如果 ptr 指向一个白色对象，写屏障会将 ptr 指向的对象涂成灰色。

通过这种方式，任何可能被黑色对象引用的白色对象都会被“拯救”回来，加入灰色集合，从而保证了 GC 的正确性。

5. GC 的触发时机

GC 主要由以下条件触发：

1. 内存分配阈值 (GOGC): 当自上次 GC 以来新分配的内存达到一个阈值时，会自动触发新的 GC。这个阈值由环境变量 GOGC 控制（默认为 100），表示当堆大小增长 100% 时触发。

2. 定时触发: runtime.sysmon 线程会定期检查，如果距离上次 GC 超过一定时间（默认为 2 分钟），会强制触发一次 GC。

3. 手动触发: 开发者可以调用 runtime.GC() 来手动触发一次 GC。

6. 总结

Go GC 是一个低延迟、高并发的垃圾回收系统。它通过三色标记清除算法实现了大部分工作的并发执行，通过短暂的 STW 完成必要的同步，并通过混合写屏障技术保证了在用户 Goroutine 并发修改对象引用时的正确性。这一系列精巧的设计，是 Go 能够胜任高并发、低延迟服务场景的重要保障。