Go垃圾回收

1. 常见垃圾回收算法对比

垃圾回收（Garbage Collection, GC）是指对程序中不再使用的内存资源进行自动回收的操作。常见的 GC 算法包括：

• 引用计数（Reference Counting）

  • 原理：每个对象维护一个引用计数器，增加引用时 $+1$，引用失效时 $-1$，计数归零时直接回收。
  • 优点：回收及时，不会出现内存耗尽或达到阈值才触发的情况。
  • 缺点：无法解决循环引用问题，且频繁更新计数有性能开销。

• 标记-清除（Mark-Sweep）

  • 原理：从根对象（GC Roots）开始遍历所有可达对象并标记“被引用”，遍历结束后对未标记的白色对象进行回收。
  • 优点：能够有效解决循环引用问题。
  • 缺点：需要 Stop The World（STW），短暂停顿所有用户协程/线程。

• 分代收集（Generational Collection）

  • 原理：根据对象的生命周期长短划分为新生代和老年代，不同代采用不同的回收算法和频率。
  • 优点：针对不同生命周期的对象优化，整体回收性能优秀。
  • 缺点：实现逻辑较为复杂。

2. 三色标记法（Three-color Marking）

Go 语言采用了并发三色标记清除算法。算法将对象分为三种颜色：

1. 白色：未被扫描到的对象（潜在的垃圾对象）。
2. 灰色：已被扫描到，但其引用的其他对象尚未被完整扫描。
3. 黑色：已被扫描到，且其引用的所有对象也都已被扫描（可达的安全对象）。

标记过程：

1. 初始状态：所有对象归为白色。
2. 根扫描：从根节点（如全局变量、栈上的变量）开始遍历，将直接可达的对象放入灰色集合。
3. 对象追踪：遍历灰色集合，将灰色对象引用的对象标记为灰色，然后将该灰色对象自身转为黑色。
4. 循环迭代：重复上述步骤，直到灰色集合中没有对象。
5. 垃圾清理：此时剩下的白色对象即为不可达垃圾，进行统一回收。

3. STW 与写屏障（Write Barrier）

3.1 为什么需要 STW？

为了防止在 GC 扫描过程中，用户协程修改指针引用关系，导致 GC 误删正在被引用的存活对象。通过 Stop The World (STW) 暂时挂起所有正在运行的 Goroutine，可以保证引用数据的一致性。目前 Go 的 STW 优化已能控制在 1ms 以下。

3.2 对象丢失的两个必要条件

若要完全消除或极大地缩短 STW，引入混合写屏障来解决并发标记期间的引用变更问题。对象被误回收必须同时满足以下条件：

1. 黑色对象新增了指向白色对象的引用。
2. 该白色对象没有其他灰色对象的直接/间接引用，或者原有的灰色引用被删除了。

3.3 屏障技术实现

屏障技术通过破坏上述两个条件之一来保证三色不变性：

• Dijkstra 插入写屏障（强三色不变性）
  • 规则：黑色节点不允许直接引用白色节点。当黑色节点新增白色节点的引用时，强制将该白色节点修改为灰色。
• Yuasa 删除写屏障（弱三色不变性）
  • 规则：允许黑色节点引用白色节点，但前提是该白色节点仍有其他灰色节点的间接引用。当白色节点被删除引用时，悲观地将其置为灰色，防止误杀。