Question

翻译自 1.18 mgc.go 头部注释。

回收线程（collector）和其他线程（mutator）可并发执行，允许多个回收线程并行。

• 类型精确（type accurate）
• 非代龄（non-generational）
• 非收缩（non-compacting）
• 写屏障（write barrier）
• 并发标记（mark）和清理（sweep）

回收周期包含以下几个步骤：

1. 清理结束

• STOP-THE-WORLD ，让所有 P 到达安全点。
• 清理所有未及清理的内存块。（清理未结束前执行 runtime.GC）
  
  

2. 开始标记

• 状态 GCoff -> GCmark。

• 启用写屏障。
• 启用辅助（mutator assists）。
• 根标记任务排队。
• 所有 P 写屏障启用前，不扫描任何对象。

• START-THE-WORLD 。

• 调度器（schedule）启动标记工人（mark workers）和分配辅助（assists）。
• 写屏障遮蔽指针写入（shades both the overwritten pointer and the new pointer value）。
• 新分配对象（malloc）直接标记为黑色。

• 执行根标记任务。

• 扫描所有栈（stack）。（会导致 goroutine 停止，扫描完成后恢复）
• 遮蔽所有全局变量（global）。
• 遮蔽堆外运行时（off-heap runtime）数据结构中的堆指针。

• 清空灰色队列。（drains the work queue of grey objects）

• 扫描其中的灰色对象（grey object），将其标记为黑色。
• 对其包含的指针进行着色，将引用目标放入灰色队列。

• 终止算法（distributed termination algorithm）检测何时不再有根标记任务和灰色对象。
  标记结束（gcMarkDone）。

3. 标记结束

• STOP-THE-WORLD 。
• 状态 GCmarktermination，禁用标记工人和分配辅助。
• 处理内部任务（flushing mcaches）。

4. 执行清理

• 状态 GCoff，设置清理状态，禁用写屏障。
• START-THE-WORLD 。
  从此刻起，新分配对象为白色，必要时会在分配前清理目标内存。
• 后台执行并发清理（oncurrent sweeping），并响应分配操作。

5. 分配超过阈值，重新回到第 1 步

并发清理

清理与用户逻辑并发执行，专门的 goroutine 在后台挨个清理。标记结束后，所有 span 都被标记为需要清理。

为避免向 OS 请求过多内存，首先尝试清理现有 span 以获取可复用空间。确保不会在未清理的 span 上执行操作，避免破坏标记位图。回收期间，mcache 所持有的 span 全部收回 mcentral。重新获取时，会执行清理操作。而当下一回收周期启动时，也会先完成未清理任务。

回收速率

环境变量 GOGC 控制了回收和分配间的线性比例。如果 GOGC = 100，使用了 4 MB，那么到达 8 MB 时，垃圾回收将被再次启动。

控制器

控制器（gcController）用于 GC 调控，决定何时触发，有多少工作量，需要多少投入和辅助。基于每个回收周期的堆增长和 CPU 利用率等数据，以反馈算法（feedback control algorithm）进行调整。该算法将辅助标记和后台标记的 CPU 利用率优化为 GOMAXPROCS 的 25%。

垃圾回收有个大问题需要解决，那就是什么时候启动？过早或频繁启动，除浪费 CPU 资源外，还会加大用户逻辑停顿时间。过晚又会导致堆膨胀，浪费更多内存。如何在两者间平衡，是个巨大的挑战。

并发回收阶段，对象分配速度可能远快于回收标记。这会引发一系列恶果，比如堆恶性扩张，或导致单个回收周期无法结束，以至于垃圾回收机制瘫痪。此时，暂停用户逻辑，让该线程临时参与辅助回收就十分必要。此举非但能抑制用户逻辑在短时间内大批量分配内存，还可提升回收效率。平衡分配和回收，更充分复用内存。

写屏障

直观上看，写屏障是编译器在用户逻辑内插入的额外指令。

因三色标记和用户逻辑并发执行，那么已检查的黑色对象就可能被修改。假设已扫描黑色对象内部指针 “突然” 指向一个尚未扫描白色对象。按三色标记流程，黑色不会再次扫描，如此就导致该白色对象最终被回收，从而引发逻辑错误。

A (黑) 引用 B (灰)；B 引用 C (白)。

然后，A 引用 C，B 不再引用 C。

如没有写屏障，那么 A 不会再次扫描，C 保持白色被回收。

写屏障启用后，对指针的修改会跳转到写屏障指令，以便对其重新标记、扫描。如此，其引用的白色对象会存活下来。写屏障解决了垃圾回收与用户逻辑并发执行的冲突，有助于减少重新扫描次数，简化和消除了某些复杂机制。

写屏障仅在垃圾回收时启用，通过特定开关进行判断。

正常情况下，用户逻辑不会跳转到这些额外指令，性能不受影响。

三色标记

扫描内存时，使用三种颜色标记对象状态。

• 起初，所有对象默认为白色。
• 扫描，可达对象如包含指针，标记为灰色后放入待处理队列，否则直接黑色。
• 依次从队列提取灰色对象，扫描其指针字段。

• 该灰色对象标记为黑色，表示存活。
• 其字段所引用对象，标记为灰色后放回队列。

• 扫描和队列结束，仅剩黑白二色。

• 黑色为存活对象。
• 白色表示待回收空间。

通过队列实现递归扫描，找出存活（黑色）对象，其余被回收。这就是三色标记原理，大体与扫描流程相对应。至于用户逻辑在扫描阶段新分配的用户对象，则直接标记为黑色。

标记操作对于：

a := make([]*int, 1e9)

b := make([]int, 1e9)

性能相差巨大。因为 b 无需深入内部扫描，故而快得多。

所以，对于超大块内存使用要慎重。

比如说，分配一大块 []byte 或 mmap，持有阻止回收。然后，在内部使用 uintptr 二次分配。