# Golang 垃圾回收机制 🗑️

Go 语言的垃圾回收器经历了多次演进 📈，从最初的清除标记法到现在的三色标记法配合混合写屏障，每一次升级都让 GC 变得更加高效 ⚡️。让我们一起来了解这个演进过程吧！💪

# 普通清除标记法 (v1.3 以前) ⏪

清除标记法是最基础的垃圾回收算法 🌱，其核心思想就是标记所有需要回收的对象，然后清除这些对象。

# 具体步骤 🔄

🛑 暂停程序业务逻辑（STW，Stop The World），找出不可达的对象和可达的对象
🏷️ 开始标记，程序找出它所有可达的对象，并做上标记
- 📍 从根对象（全局变量、栈变量等）开始遍历
- 🔍 沿着对象的引用关系进行遍历
- ✅ 将所有可达对象标记为 "使用中"
🧹 标记完成后，开始清除未标记的对象
- 🔎 扫描整个堆内存
- ♻️ 回收所有未被标记的对象
- 📦 将回收的内存加入空闲链表
▶️ 停止暂停，让程序继续运行。然后循环重复整个过程，直到程序生命周期结束

# 缺点 ⚠️

⏸️ STW 导致程序响应延迟
🐌 标记需要扫描整个 heap，效率低下
🧩 清除数据会导致 heap 碎片
📉 整体性能较差

# 三色标记法 (v1.5 以后) 🎨

为了解决清除标记法的问题 🔧，Go 团队引入了更高效的三色标记法。该算法将对象分为三种颜色 🎯：

⚪ 白色：对象尚未被标记 (未探索区域)
🔘 灰色：对象已经被标记，但它的对象引用尚未被标记 (正在探索)
⚫ 黑色：对象已经被标记，且它的对象引用已经被标记 (探索完成)

# 具体步骤 📝

🎬 初始化，所有对象被标记为白色
🚀 GC 开始，遍历 rootset，将直接可达的对象标记为灰色
🔄 遍历灰色对象，将直接可达对象标记为灰色，并将自身标记为黑色
🔁 重复第 3 步，直到标记完所有的对象
🧹 将标记为白色的对象当做垃圾回收掉

# 并发标记的问题 ⚠️

如果三色标记法在并发情况下不被 STW 保护 🛡️，当以下两个条件同时满足时，就会出现对象丢失现象 😱：

🔗 条件 1：一个白色对象被黑色对象引用（白色被挂在黑色下）
❌ 条件 2：灰色对象与该白色对象之间的可达关系遭到破坏（灰色同时丢失该白色）

# 解决方案 💡

只要破坏上述两个条件中的任意一个即可 🎯：

💪 强三色不变式
- 📜 规则：不允许黑色对象引用白色对象
- 🎯 作用：破坏条件 1，确保黑色对象不会引用白色对象
🤝 弱三色不变式
- 📜 规则：黑色对象可以引用白色对象，但白色对象必须存在灰色对象的间接引用
- 🎯 作用：破坏条件 2，保证白色对象始终可达

# 屏障机制 🛡️

为了实现上述两种不变式，Go 语言引入了两种写屏障机制 🔒：

# 插入写屏障 ➕

📝 规则：当一个对象引用另一个对象时，将被引用对象标记为灰色
⚡️ 注意：栈内引用的对象不需要写屏障保护
⚠️ 缺点：需要在标记结束后对栈进行 STW 和重新扫描，以防止栈上新增对象引用了白色对象

# 删除写屏障 ➖

📝 规则：当一个对象引用被删除时，将被删除的对象标记为灰色
⚡️ 注意：开始时需要进行 STW，存储快照
⚠️ 缺点：被删除的对象即使无引用也会被保留到下一轮，导致回收精度降低

# 混合写屏障机制（hybrid write barrier）🔄

为了综合两种写屏障的优点 🎯，Go1.8 引入了混合写屏障机制：

# 具体策略 📋

🎯 GC 开始时将栈上的对象全部标记为黑色（无需后续重新扫描）
✨ GC 期间，栈上新创建的对象均为黑色
🔄 堆上被删除的对象标记为灰色
➕ 堆上新添加的对象标记为灰色

特点：实现了变形的弱三色不变式 🎯，结合了插入、删除写屏障的优点，大大提升了 GC 效率 🚀

##GC 调优
通过 go tool pprof 和 go tool trace 分析 GC 情况，根据实际情况调整 GC 参数

控制内存分配的速度，限制 Goroutine 的数量，从而提高
减少并复用内存，例如使用 sysc.Pool 来复用需要频繁创建和销毁的对象，例如提前分配足够的内存来降低多余的拷贝
需要时，增大 GOGC 的值，降低 GC 的运行效率

# 总结

Go V1.3 普通的标记清除法，整体过程需要 STW，效率低下
Go V1.5 三色标记法，堆空间启用写屏障，栈空间不启用，全部扫描之后，需要重新扫描一次栈（需要 STW），效率普通
Go V1.8 三色标记法，混合写屏障机制，栈空间不启动，堆空间启动，整体过程几乎不需要 STW，效率较高

golang gc