垃圾回收

概述

Go 垃圾回收器具有以下特点：

并发 - 与应用程序（mutator）线程同时运行
类型精确 (precise) - 确切地知道哪些内存位置包含指针
非分代 - 不按年龄区分对象
非压缩 - 不移动内存中的对象
标记清除 - 使用标记阶段识别活动对象，然后进行清除阶段回收未使用的内存
基于写屏障 - 在并发标记期间跟踪指针更新

GC 周期分为几个不同的阶段，这些阶段协同工作，在最大限度地减少对正在运行的程序干扰的同时回收未使用的内存。

来源：src/runtime/mgc.go5-119 src/runtime/proc.go211-212

GC 算法和阶段

Go 垃圾回收器遵循三色标记抽象，并分阶段运行。

1. 清除终止

停止世界 (STW) 暂停
确保所有 P（处理器）都到达 GC 安全点
完成上一 GC 周期中任何未清除的 span 的清除工作
此阶段通常很短或完全跳过，除非 GC 被强制提前执行

2. 标记阶段

将 gcphase 设置为 _GCmark
启用写屏障，以确保指针更新得到正确跟踪
启用 mutator 辅助（分配时应用程序协助标记）
准备根标记任务（堆栈、全局变量、运行时数据）
启动世界 - 应用程序代码继续执行
扫描与应用程序执行并发进行
- 扫描 goroutine 堆栈以查找指针
- 扫描全局变量
- 扫描运行时数据结构中的堆指针
- “灰色”对象（已发现但尚未处理）被添加到工作队列中
- 标记工作程序通过扫描对象并标记其引用对象来消耗这些队列
使用分布式终止算法来检测标记何时完成

3. 标记终止

停止世界 (STW) 暂停
将 gcphase 设置为 _GCmarktermination
禁用工作程序和标记辅助
执行善后工作，例如刷新 mcache
为清除阶段做准备

4. 清除阶段

将 gcphase 设置为 _GCoff 并禁用写屏障
启动世界 - 应用程序恢复执行
清除与程序执行并发进行
- 后台清除程序 goroutine 回收内存
- 按需清除发生在分配过程中
- 单独清除 span 以回收空闲对象

来源：src/runtime/mgc.go24-82 src/runtime/mgc.go210-243 src/runtime/mgcscavenge.go6-18

三色标记算法

垃圾回收器使用三色标记抽象

算法如下：

最初，所有对象都为白色
根对象（堆栈、全局变量）被标记为灰色
灰色对象被扫描，其指针引用对象被标记为灰色，然后它们变为黑色
过程持续进行，直到没有灰色对象为止
剩余的白色对象是不可达的，将在清除期间被回收

写屏障通过将黑色对象引用的白色对象标记为灰色来保护“没有黑色对象指向白色对象”的不变量。

来源：src/runtime/mgcmark.go16-60 src/runtime/mbitmap.go5-54

写屏障

写屏障对于并发收集器正确工作至关重要。它确保 GC 不会错过在并发标记期间变得可达的任何对象。

写屏障：

仅在标记阶段激活
拦截对堆对象的指针写入
确保 GC 同时看到旧指针值和新指针值
防止在标记期间引用发生变化时错过对象
维护“无黑色对象指向白色对象”的强三色不变性

写屏障实现在 src/runtime/writebarrier.go 中，并由 writeBarrier.enabled 标志控制，该标志在标记阶段（_GCmark 和 _GCmarktermination）设置为 true。

来源：src/runtime/mgc.go215-232 src/runtime/runtime2.go102-108

GC 调度和触发

Go 垃圾回收器使用调度算法来决定何时启动 GC 周期，平衡内存使用与 CPU 开销。

触发器

GC 可由多种条件触发：

堆增长 - 当堆大小超过基于 GOGC 设置的目标阈值时
基于时间 - 自上次收集以来已过特定时间
手动 - 调用 runtime.GC()

GOGC 设置

环境变量 GOGC 控制 GC 目标

默认值为 100 (%)
如果 GOGC=100 且堆使用 4MB，则 GC 将在堆达到 8MB 时触发
较高的值会提高吞吐量，但可能会使用更多内存
较低的值会减少内存使用，但可能会消耗更多 CPU
GOGC=off 禁用自动垃圾回收

GC 调度

GC 调度算法：

目标是在堆达到目标大小时刚好完成下一个 GC 周期
使用控制器来调整分配给 GC 的 CPU 比例
平衡分配率和标记速度
尽量保持一致的 GC 周期时长，无论堆大小如何

来源：src/runtime/mgc.go112-118 src/runtime/mgcpacer.go15-57

并发标记实现

Go GC 通过几种机制实现低延迟的并发标记

后台标记工作程序

执行标记工作的专用 goroutine
由 gcBackgroundUtilization 控制（默认为 GOMAXPROCS 的 25%）
与应用程序代码并发运行

标记辅助

应用程序 goroutine 在分配内存时协助标记
辅助工作量与分配大小成正比
有助于平衡分配率和标记率
确保 GC 即使在繁重的分配负载下也能按时完成

工作缓冲区和工作窃取

标记工作组织在工作缓冲区中
每个 P（处理器）都有本地工作缓冲区
当 P 的本地工作缓冲区为空时，它可以从其他 P 窃取工作
这种方法可以有效地在处理器之间分配工作

来源：src/runtime/mgc.go213-243 src/runtime/mgcpacer.go15-57 src/runtime/mgcmark.go16-128

清除实现

标记完成后，GC 在清除阶段回收内存

Go 中的清除分两个方面进行：

对象回收器

查找并释放 span 中未标记的槽
可以由 mcentral.cacheSpan 同步驱动
也可以由 sweepone 异步驱动

Span 回收器

查找不包含任何已标记对象的 span
将整个 span 释放回堆
对于新 span 的有效分配至关重要
由页面标记位图的顺序扫描驱动

这两种算法最终都调用 mspan.sweep，该函数清除单个堆 span。

来源：src/runtime/mgcsweep.go5-52 src/runtime/mheap.go57-99

内存结构与 GC

理解内存管理结构有助于理解 GC 的工作原理

关键结构

mheap: 中央堆管理器，维护 span 列表
mspan: 表示一个页面块，其中包含相同大小类的对象
heapBits: 指示内存中哪些字包含指针的位图
gcWork: GC 用于跟踪灰色对象的任务缓冲区

位图标记

堆中的每个字在堆位图中都有相应的位
用于跟踪哪些内存包含指针
GC 也使用它们来标记对象为可达
大小对象有不同的标记算法

来源：src/runtime/mheap.go56-176 src/runtime/malloc.go17-61 src/runtime/mbitmap.go5-54

性能特征

暂停时间

停止世界 (STW) 暂停通常在亚毫秒级别
GC 针对低延迟而非最大吞吐量进行了优化
目标暂停时间可以通过 GOGC 进行调整

CPU 开销

默认目标是使用 25% 的 CPU 进行 GC（由 gcBackgroundUtilization 控制）
实际开销取决于分配率和活动对象集合的大小
较高的 GOGC 值会降低 CPU 开销，但会增加内存使用量

内存开销

垃圾收集器需要堆大小 >= 实时对象大小的 2 倍（默认 GOGC=100）
GC 位图和工作队列会在堆中为每个字（word）增加大约 1 比特的内存开销

来源： src/runtime/mgcpacer.go15-45 src/runtime/mgc.go112-118

GC 调试和调优

环境变量

GOGC：设置垃圾收集目标百分比（默认值：100）
GOMEMLIMIT：设置 GC 将尝试遵守的软内存限制
GODEBUG=gctrace=1：将 GC 相关信息输出到 stderr

运行时控制

runtime.GC()：强制进行垃圾回收
debug.SetGCPercent()：在运行时更改 GC 目标百分比
runtime.ReadMemStats()：获取内存分配统计信息

GC 指标和跟踪

runtime/metrics 包提供详细的 GC 指标
执行跟踪器可以与 goroutine 执行一起可视化 GC 活动
堆分析器可以帮助识别内存分配模式

来源： src/runtime/mgcpacer.go18-45 src/runtime/mgc.go464-486 src/runtime/export_test.go243-244

结论

Go 的垃圾收集器设计旨在提供可预测、低延迟的垃圾收集，并具有合理的内存开销。其并发设计允许应用程序代码在垃圾收集周期中以最小的干扰运行，使其适用于对延迟敏感的应用程序。

GC 的设计侧重于简单性和可预测性，而不是榨取最后一丁点的性能，这符合 Go 使编程更轻松、更富有成效同时仍然能提供良好性能的理念。