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Go语言 V1.3之前的标记清除机制

和其他编程语言一样，go语言也有自己的垃圾回收机制。在GO V1.3之前的版本当中，采用的是Mark和Sweep的机制进行垃圾回收。具体来说，在一个程序运行的时候，会创建许多对象，此时在堆空间当中，是可以直接访问到这些对象的。当需要进行垃圾回收的时候，程序首先暂停程序运行所有的服务，然后从根对象开始扫描，直到获得所有可以访问到的对象，剩下那些没有被扫描到的对象，就是我们所需要回收的垃圾。整体过程如下图所示：

首先程序触发STW(stop the word),暂停当前所有服务。
程序从根对象开始扫描，按照引用顺序扫描所有可达对象，如上图。
程序标记所有可达对象，并将不可达到的对象释放掉。
恢复程序服务。

在 Go 语言的垃圾回收机制中，根对象指的是那些被程序直接引用的对象，例如全局变量、当前运行函数的参数和局部变量、还有程序栈中的对象等。这些对象被认为是活动对象，也就是说它们可以被访问到，因此不能被垃圾回收器回收。在 Go 中，垃圾回收器会从根对象开始遍历整个对象图，标记所有可达的对象，并进行垃圾回收。如果一个对象不可达，即无法通过根对象访问到，那么它就会被回收。通过这种方式，Go 语言的垃圾回收机制能够自动管理内存，避免了像 C 和 C++ 这样需要手动管理内存的问题。

标记清除法非常简单，但是对程序造成的影响比较大，毕竟暂停程序服务的这段时间，程序是什么也做不了的。

Go语言 V1.5的三色标记法

为了消除STW对程序造成的影响，go语言在1.5版本中引入了三色标记法。具体来说，其基本流程如下图所示：

图1.1 三色标记法启动时

图1.2 第一轮扫描

图1.3 第二轮扫描

图1.4 n轮扫描之后

创建对象时所有对象默认为白色。
遍历根对象（只遍历一次，遍历邻接对象），得到灰色节点。（初始时所有节点都标记为白色）
遍历灰色标记表，得到其可达对象，将其标记为白色，然后将此次灰色表中被遍历之后的节点标记为黑色。
重复步骤3，直到灰色标记表中无对象为止。
回收白色标记表中的对象。

三色标记法的问题

在不使用STW时，如果程序中某个对象在标记为白色的时候，已标记为黑色的对象指向了没有被指向的对象，那么此时这个白色的对象本不应该被回收，却在垃圾回收的时候被回收。

造成这个问题的原因

一个白色对象被黑色对象引用。（白色被挂在黑色下）
灰色对象与他之间的可达关系的白色对象遭到破坏。（灰色同时丢了该白色对象）
1,2同时满足时，就会出现对象丢失现象。

强三色不变式和弱三色不变式

强三色不变式

强制性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对象，白色对象存在其他灰色对象对它的引用，或者可达它的链路上游存在灰色对象。

屏障机制

插入写屏障

对象被引用时触发的机制。具体操作：在A对象引用B对象的时候，B被标记为灰色。（将B挂在A的下游，B必须被标记为灰色）。这种机制满足了强三色不变式。

// 伪码
添加下游对象（当前下游对象slot,新下游对象ptr）{
    // 1
    标记灰色(新下游对象ptr)
    // 2
    当前下游对象slot = 新下游对象ptr
}

场景1.A添加下游对象（nil,B）// A之前没有下游，新添加一个下游对象B，B标记为灰色
场景2.A添加下游对象（C,B） // A将下游对象C换成B，B被标记为灰色

不足

无法处理栈空间内的黑色对象已引用白色对象，需要在结束时使用STW重新扫描栈区。

删除写屏障

对象被删除前触发的机制。具体操作：被删除的对象，如果自身为灰色或者白色，那么被标记为灰色。这种机制满足了弱三色不变式。

// 伪码
添加下游对象（当前下游对象slot,新下游对象ptr）{
    // 1
    if(当前下游对象slot是灰色 || 当前下游对象slot是白色){
        标记灰色（当前下游对象） // slot为被删除的对象,标记为灰色
    }
    
    // 2
    当前下游对象slot = 新下游对象ptr
}

场景1.A添加下游对象（B,nil）// A之前没有下游，新添加一个下游对象B，B标记为灰色
场景2.A添加下游对象（B,C） // A将下游对象C换成B，B被标记为灰色

不足

回收精度低

go语言混合写屏障机制

具体操作：

GC开始时将栈上的对象全部扫描并标记为黑色。
GC期间，任何在栈上创建的新的对象，均为黑色。
被删除的对象标记为灰色。
被添加的对象标记为灰色。满足：变形的弱三色不变式（结合了插入、删除写屏障两者的优点）

// 伪码
添加下游对象（当前下游对象slot,新下游对象ptr）{
    // 1
    标记灰色（当前下游对象slot）// 只要当前下游对象被移走，就标记为灰色
    // 2
    标记灰色（新下游对象ptr）
    // 3
    当前下游对象slot = 新下游对象ptr
}

Go语言的垃圾回收机制（简易版）