GC 三色标记法

一、三色标记法

三色标记法是 Go 垃圾回收的核心算法，通过颜色标记对象状态，实现增量式垃圾回收：

1. 颜色定义：
   • 白色：未扫描或已确定为垃圾的对象。
   • 灰色：已发现但未完成扫描的对象（中间状态）。
   • 黑色：已扫描且确认存活的对象。
2. 标记流程：
   • 初始标记：所有对象为白色，根对象（全局变量、栈等）标记为灰色。
   • 并发标记：从灰色对象递归遍历引用链，标记为黑色。
   • 清除：回收所有白色对象。
3. 目标：通过增量式标记减少 STW（Stop-The-World）时间，支持并发标记与程序运行。

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二、写屏障（Write Barrier）

写屏障是并发标记阶段的关键技术，用于在对象引用关系变化时维护三色不变性，防止误回收：

1. 插入写屏障：
   • 规则：当黑色对象引用白色对象时，将白色对象标记为灰色。
   • 问题：需在标记结束后 STW 重新扫描栈，导致延迟。
2. 删除写屏障：
   • 规则：删除引用时，若被删对象为白色或灰色，则标记为灰色。
   • 问题：回收精度低，需下一轮 GC 处理残留对象。

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三、混合写屏障（Hybrid Write Barrier）

Go 1.8 引入混合写屏障，结合插入与删除屏障优势，实现低延迟并发标记：

1. 核心规则：
   • 堆对象修改：
   ◦ 新引用的对象（插入操作）标记为灰色。
   ◦ 旧引用的对象（删除操作）标记为灰色。
   • 栈对象处理：
   ◦ GC 开始时将栈对象全部标记为黑色，后续新对象直接标记为黑色。
2. 优势：
   • 避免栈重复扫描：栈对象初始标记为黑色，无需 STW 重新扫描。
   • 弱三色不变性：允许黑色对象引用白色对象，但需灰色对象间接保护路径。
   • 低延迟：全程并发，STW 时间压缩至微秒级。
3. 流程示例：
   • 新增引用（堆）：黑色对象 A → 白色对象 B → B 标记为灰色。
   • 删除引用（堆）：黑色对象 C 删除引用 D → D 标记为灰色。

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四、对比与总结

机制	特点	适用场景
插入写屏障	防止黑色引用白色，需 STW 重扫栈	早期 Go 版本（1.5 前）
删除写屏障	保护旧引用，精度低	小内存场景（嵌入式系统）
混合写屏障	结合两者，避免栈扫描，低延迟	Go 1.8+ 默认策略，高并发场景

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五、工程启示

1. 减少堆分配：使用对象池（sync.Pool）复用对象，降低 GC 压力。
2. 避免指针滥用：值类型优先，减少引用链复杂度。
3. 参数调优：通过 GOGC 调整触发阈值，平衡内存与性能。
4. 监控指标：结合 pprof 分析堆内存、GC 耗时等关键指标。

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通过三色标记法结合混合写屏障，Go 在保证低延迟的同时实现了高效的并发垃圾回收，成为高并发场景下的重要技术优势。