The Go garbage collector is responsible for collecting the memory that is not in use anymore. The implemented algorithm is a concurrent tri-color mark and sweep collector. In this article, we will see in detail the marking phase, along with the usage of the different colors.
Go1.3 标记清除法
分下面四步进行
- 进行 STW（stop the world 即暂停程序业务逻辑），然后从 main 函数开始找到不可达的内存占用和可达的内存占用
- 开始标记，程序找出可达内存占用并做标记
- 标记结束清除未标记的内存占用
- 结束 STW 停止暂停，让程序继续运行，循环该过程直到 main 生命周期结束
一开始的做法是将垃圾清理结束时才停止 STW，后来优化了方案将清理垃圾放到了 STW 之后，与程序运行同时进行，这样做减小了 STW 的时长。但是 STW 会暂停用户逻辑对程序的性能影响是非常大的，这种粒度的 STW 对于性能较高的程序还是无法接受，因此 Go1.5 采用了三色标记法优化了 STW。
Go1.5 三色标记法
三色标记算法将程序中的对象分成白色、黑色和灰色三类。
白色对象表示暂无对象引用的潜在垃圾，其内存可能会被垃圾收集器回收；
灰色对象表示活跃的对象，黑色到白色的中间状态，因为存在指向白色对象的外部指针，垃圾收集器会扫描这些对象的子对象；
黑色对象表示活跃的对象，包括不存在引用外部指针的对象以及从根对象可达的对象。
三色标记法分五步进行
- 将所有对象标记为白色
- 从根节点集合出发，将第一次遍历到的节点标记为灰色放入集合列表中
- 遍历灰色集合，将灰色节点遍历到的白色节点标记为灰色，并把灰色节点标记为黑色
- 循环这个过程
- 直到灰色节点集合为空，回收所有的白色节点
这种方法看似很好，但是将 GC 和程序是一起执行的，程序执行过程中可能会更改白色对象的引用关系，导致出现下面这种情况，被引用的对象 3 受到错误的垃圾回收，程序从而出现错误。
因此在此基础上拓展出了俩种方法，强三色不变式和弱三色不变式
- 强三色不变式：不允许黑色对象引用白色对象
- 弱三色不变式：黑色对象可以引用白色，白色对象存在其他灰色对象对他的引用，或者他的链路上存在灰色对象
为了实现这俩种不变式的设计思想，从而引出了屏障机制，即在程序的执行过程中加一个判断机制，满足判断机制则执行回调函数。
屏障机制分为插入屏障和删除屏障，插入屏障实现的是强三色不变式，删除屏障则实现了弱三色不变式。值得注意的是为了保证栈的运行效率，屏障只对堆上的内存对象启用，栈上的内存会在 GC 结束后启用 STW 重新扫描。
- 插入屏障：对象被引用时触发的机制，当白色对象被黑色对象引用时，白色对象被标记为灰色。
- 删除屏障：对象被删除时触发的机制。如果灰色对象引用的白色对象被删除时，那么白色对象会被标记为灰色。(缺点：这种做法回收精度较低，一个对象即使被删除仍可以活过这一轮再下一轮被回收)
上面的屏障保护只发生在堆的对象上。因为性能考虑，栈上的引用改变不会引起屏障触发。
所以栈在 GC 迭代结束时（没有灰色节点），会对栈执行 STW，重新进行扫描清除白色节点。（STW 时间为 10-100ms）
Go1.8 三色标记 + 混合写屏障
基于插入写屏障和删除写屏障在结束时需要 STW 来重新扫描栈，所带来的性能瓶颈，Go 在 1.8 引入了混合写屏障的方式实现了弱三色不变式的设计方式，混合写屏障分下面四步
GC 开始时直接将栈上可达对象全部标记为黑色（不需要二次扫描，无需 STW）
GC 期间，任何栈上创建的新对象均为黑色
被删除引用的对象标记为灰色（无需判断是否被引用）
被添加引用的对象标记为灰色（无需判断是否被引用）
下面为混合写屏障过程
其它
GC的触发时机
触发 GC 有俩个条件，一是堆内存的分配达到控制器计算的触发堆大小，初始大小环境变量 GOGC，之后堆内存达到上一次垃圾收集的 2 倍时才会触发 GC。二是如果一定时间内没有触发，就会触发新的循环，该触发条件由 runtime.forcegcperiod 变量控制，默认为 2 分钟。
Go 内存管理
程序在内存上被分为堆区、栈区、全局数据区、代码段、数据区五个部分。对于 C++ 等早期编程语言栈上的内存由编译器管理回收，堆上的内存空间需要编程人员负责申请与释放。在 Go 中栈上内存仍由编译器负责管理回收，而堆上的内存由编译器和垃圾收集器负责管理回收，给编程人员带来了极大的便利性。