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Go 垃圾回收三色标记清除算法全流程详解

舞夢輝影

舞夢輝影

发布时间:2026-01-17 13:42:09

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来源于php中文网

原创

Go三色标记清除是分阶段并发GC,通过写屏障保障强三色不变式,STW仅限根扫描与栈重扫,清除异步按页进行,延迟压至百微秒级。

go 垃圾回收三色标记清除算法全流程详解

Go 的三色标记清除(Tri-color Marking + Sweep)不是一次性停顿扫描,而是一个分阶段、带写屏障保护的并发回收流程。它核心目标是把 STW(Stop-The-World)压缩到毫秒级,同时不丢对象、不误回收。

三色状态的本质含义

所谓“三色”,是逻辑抽象,并非真实存储颜色值:

  • 白色:初始默认状态,表示“尚未确认是否可达”;GC 结束后仍为白色的对象即为垃圾,会被清除
  • 灰色:已确认可达,但其引用的对象还没被扫描;它们被存放在一个标记队列(gcWork)中,等待处理
  • 黑色:已完全扫描完毕,该对象及其所有直接/间接引用都已纳入标记范围;本次 GC 中不会被回收

标记阶段的四步主流程

标记不是全堆扫一遍,而是从根集合出发,逐步推进灰色边界,直到灰色队列清空:

  • 将所有根对象(全局变量、各 goroutine 上指针、寄存器等)标记为灰色,并入队
  • 从队列取一个灰色对象,扫描它持有的所有指针字段
  • 对每个指针指向的白色对象,将其标记为灰色并入队
  • 当前对象自身标记为黑色;重复直到队列为空

此时所有可达对象非黑即灰(灰是过渡态),白色对象即为不可达垃圾。

为什么需要写屏障?防止对象丢失

因为标记和用户代码并发执行,若不加干预,可能出现“黑色对象引用新创建的白色对象”,而该白色对象又无其他灰色路径可达——它就会被漏掉、误回收。这就是违反强三色不变式

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Go 自 1.8 起采用混合写屏障(hybrid write barrier),在指针赋值时插入检查逻辑:

  • 当发生 A.field = B,且 A 已是黑色、B 是白色时,强制将 B 标记为灰色
  • 该机制覆盖堆上写操作,配合最后的 STW 栈重扫描,确保栈上新产生的指针也被捕获

清除阶段如何做到几乎无停顿

清除不再像早期那样遍历整个堆,而是按页(page)异步清理:

  • 标记结束后,白色对象的内存页被标记为“可回收”,但不立即归还 OS
  • 后续内存分配时,优先复用这些页;真正释放给操作系统由后台线程按需完成
  • Go 1.19 引入软内存限制(GOMEMLIMIT),让清除更主动响应内存压力

因此,清除本身基本不造成用户可观测延迟,真正的 STW 只发生在标记开始前的根扫描准备,以及标记结束后的栈重扫描,通常控制在百微秒级。

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