Go语言垃圾回收机制详解：从基础原理到优化实践
Go语言垃圾回收机制详解：从基础原理到优化实践
Go语言的垃圾回收机制是其核心特性之一，了解其工作原理对于提升代码性能和优化内存管理至关重要。本文将深入探讨Go语言的垃圾回收机制，包括内存标记、三色标记法、Stop The World、写屏障、辅助GC以及垃圾回收的触发时机等内容。
内存标记（Mark）
在Go语言中，内存分配时会使用到span数据结构，该结构中包含了一个位图allocBits，用于表示每个内存块的分配情况。同时，span中还有一个位图gcmarkBits，用于标记内存块的引用情况。
如上图所示，allocBits记录了每块内存的分配情况，而gcmarkBits记录了每块内存的标记情况。标记阶段会对每块内存进行标记，有对象引用的内存标记为1（如图中灰色所示），没有引用的保持默认为0。
标记结束后进入内存回收阶段，此时会将allocBits指向gcmarkBits，这意味着只有被标记过的内存才会被视为存活，而gcmarkBits会在下一次标记时重新分配内存，这种设计非常巧妙。
三色标记法
在垃圾回收过程中，需要一个标记队列来存放待标记的对象。可以简单想象成从标记队列中取出对象，将对象的引用状态标记在span的gcmarkBits，然后将对象引用到的其他对象再放入队列中。
三色标记法只是为了叙述方便而抽象出来的一种说法，实际上对象并没有颜色之分。这里的三色，对应了垃圾回收过程中对象的三种状态：
- 灰色：对象还在标记队列中等待
- 黑色：对象已被标记，
gcmarkBits对应的位为1（该对象不会在本次GC中被清理） - 白色：对象未被标记，
gcmarkBits对应的位为0（该对象将会在本次GC中被清理）
例如，假设当前内存中有A~F一共6个对象，根对象a、b本身为栈上分配的局部变量，根对象a、b分别引用了对象A、B，而B对象又引用了对象D。GC开始前各对象的状态如下图所示：
初始状态下所有对象都是白色的。接着开始扫描根对象a、b：
由于根对象引用了对象A、B，那么A、B变为灰色对象，接下来就开始分析灰色对象，分析A时，A没有引用其他对象很快就转入黑色，B引用了D，则B转入黑色的同时还需要将D转为灰色，进行接下来的分析。
如下图所示：
上图中灰色对象只有D，由于D没有引用其他对象，所以D转入黑色。标记过程结束：
最终，黑色的对象会被保留下来，白色对象会被回收掉。
Stop The World
对于垃圾回收来说，回收过程中也需要控制住内存的变化，否则回收过程中指针传递会引起内存引用关系变化，如果错误地回收了还在使用的内存，结果将是灾难性的。
Go语言中的STW（Stop The World）就是停掉所有的goroutine，专心做垃圾回收，待垃圾回收结束后再恢复goroutine。
STW时间的长短直接影响了应用的执行，时间过长对于一些web应用来说是不可接受的，这也是广受诟病的原因之一。为了缩短STW的时间，Go语言不断优化垃圾回收算法，这种情况得到了很大的改善。
垃圾回收优化
写屏障（Write Barrier）
前面说过STW目的是防止GC扫描时内存变化而停掉goroutine，而写屏障就是让goroutine与GC同时运行的手段。虽然写屏障不能完全消除STW，但是可以大大减少STW的时间。
写屏障类似一种开关，在GC的特定时机开启，开启后指针传递时会把指针标记，即本轮不回收，下次GC时再确定。
GC过程中新分配的内存会被立即标记，用的并不是写屏障技术，也即GC过程中分配的内存不会在本轮GC中回收。
辅助GC（Mutator Assist）
为了防止内存分配过快，在GC执行过程中，如果goroutine需要分配内存，那么这个goroutine会参与一部分GC的工作，即帮助GC做一部分工作，这个机制叫作Mutator Assist。
垃圾回收触发时机
内存分配量达到阀值触发GC
每次内存分配时都会检查当前内存分配量是否已达到阀值，如果达到阀值则立即启动GC。
阀值 = 上次GC内存分配量 * 内存增长率
内存增长率由环境变量GOGC控制，默认为100，即每当内存扩大一倍时启动GC。
定期触发GC
默认情况下，最长2分钟触发一次GC，这个间隔在src/runtime/proc.go:forcegcperiod变量中被声明：
// forcegcperiod is the maximum time in nanoseconds between garbage
// collections. If we go this long without a garbage collection, one
// is forced to run.
//
// This is a variable for testing purposes. It normally doesn't change.
var forcegcperiod int64 = 2 * 60 * 1e9