Golang基础-GC三色标记法

三色标记法（Tri-color Marking）

三色标记法是现代垃圾回收（GC）算法中的一种标记清除算法，它主要用于解决并发垃圾回收中的对象标记问题。Go 的垃圾回收机制（GC）在底层就是基于这个算法进行内存管理的。

三色标记法的基本思想：

三色标记法通过将对象分为三种颜色来描述它们的状态，进而实现并发的垃圾回收。这三种颜色分别是：

• 白色（White）：表示这些对象尚未被标记，需要被回收。

• 灰色（Gray）：表示这些对象已被标记，但它的引用对象还没有被检查过。

• 黑色（Black）：表示这些对象已被标记且它们的所有引用对象也已经被检查过。

三色标记法的目标是在垃圾回收过程中避免引发并发修改的问题，同时确保不丢失任何引用或导致内存泄漏。

三色标记法的流程：

1. 初始标记：垃圾回收会遍历所有根对象（如全局变量、栈变量、寄存器中的指针等），将它们标记为灰色。

2. 灰色对象的处理：

   • 遍历灰色对象并将它们的引用对象（即灰色对象指向的对象）标记为灰色。

   • 将已经扫描过的灰色对象标记为黑色，表示这些对象及其引用对象已被完全检查。

3. 清理阶段：

   • 最后，白色对象会被视为垃圾对象，进行回收，释放它们所占的内存。

具体流程：

1. 初始化：

   • 将所有根对象标记为灰色。

   • 其他所有对象标记为白色。

2. 灰色队列扫描：

   • 从灰色队列中取出一个对象（此对象已经被标记为灰色）。

   • 遍历该对象引用的其他对象，并将这些被引用的对象标记为灰色（如果尚未标记）。

   • 将当前扫描的对象标记为黑色，表示它已经被完全扫描过。

3. 清理：

   • 遍历堆中所有对象，任何没有被标记为黑色的对象（即仍为白色的对象）都会被视为垃圾并回收。

Go 中的垃圾回收与三色标记法：

Go 使用了类似于三色标记法的并发垃圾回收算法，但它使用的是一种更高效的三色标记法的变种，称为 “三色标记并发垃圾回收”（Concurrent Garbage Collection）。Go GC 算法在标记阶段执行并发标记，以避免停止世界的时间过长。

Go 中的垃圾回收与三色标记法：

Go 的垃圾回收机制采用了 “标记-清除” 算法（Mark-Sweep）结合三色标记法。它是一个 分代回收（Generational GC）和 并发回收 的结合体。Go 使用三色标记法来保证并发环境下的正确性，尤其是在没有暂停世界的情况下进行回收。

标记清除的流程：

1. 初始化阶段：首先标记所有根对象，并将它们标记为灰色。根对象包括全局变量、栈上的局部变量、以及寄存器中的指针等。

2. 并发标记阶段：

   • 将灰色对象入队，开始并发扫描灰色对象。

   • 遍历灰色对象，并将它们引用的对象标记为灰色，并将已扫描过的灰色对象标记为黑色。

3. 回收阶段：

   • 当垃圾回收标记完所有对象后，回收所有仍然为白色的对象。

Go 中三色标记法的优化

在 Go 语言中，垃圾回收器（GC）从 Go 1.5 版本开始采用并发标记的方式，解决了传统 GC 在并发下停顿时间长的问题。Go 在三色标记法的基础上进一步优化了并发标记阶段和清除阶段，减少了对主程序的影响。

Go 1.5 及之前的版本：

• 在 Go 1.5 之前，垃圾回收是完全停止世界（Stop-the-World）的，每次垃圾回收时程序都会暂停，进行垃圾回收操作。这种方式虽然简单，但是对实时性要求高的程序影响较大。

Go 1.5 及之后的版本：

• 从 Go 1.5 开始，引入了 并发标记和并发清除，允许 GC 和应用程序并行运行。通过引入并发标记，Go 可以在程序执行时并发地进行标记，而不需要完全停顿整个程序。

• Go 1.5 引入了 三色标记法，确保并发标记时没有出现丢失对象或重复标记的问题。

不同 Go 版本之间的差异

Go 在不同版本中对垃圾回收的优化不断增强，尤其是在 并发标记 和 停止世界（Stop-the-World）的时长方面。

1. Go 1.4 及之前：

   • 使用传统的 停止世界 算法，垃圾回收会暂停程序，进行全停顿。

   • GC 主要通过标记-清除（Mark-Sweep）和分代收集方式进行。

2. Go 1.5：

   • 引入了 并发标记 和 并发清除，减少了 GC 停顿时间，避免了全停顿的问题。

   • 增加了三色标记法，保证了并发环境中的正确性。

3. Go 1.6 - Go 1.10：

   • 继续优化 GC 的并发性，减少了垃圾回收的停顿时间。

   • 在 Go 1.9 中，GC 停顿时间已大幅缩短到毫秒级，优化了内存管理效率。

4. Go 1.11 及之后：

   • Go 1.11 进一步优化了内存回收算法，引入了 三色标记法 的变种来减少内存碎片，并提升了吞吐量和延迟。

   • GC 的并发度进一步提高，减少了 GC 对主程序的影响。

5. Go 1.13 及之后：

   • 引入了 增量并发标记，使得标记阶段变得更加精细，避免了高并发场景下的标记过程对系统的影响。

   • 改进了垃圾回收器的调度和内存分配策略，进一步减少了内存的碎片化。

三色标记法的优势：

1. 并发性：通过并发标记，垃圾回收的工作可以和应用程序并行进行，从而显著减少 GC 的停顿时间。

2. 精确性：三色标记法确保了在并发环境下的标记过程不丢失任何对象，也不会重复标记，保证了垃圾回收的正确性。

3. 内存管理：它可以更高效地回收不再使用的对象，避免内存泄漏，并减少内存碎片。

总结：

• 三色标记法 是垃圾回收算法中的一种高效的标记方式，它通过将对象分为白色、灰色、黑色来区分对象的状态，从而确保并发环境下的内存管理。

• Go 从 1.5 版本 开始采用三色标记法，并结合并发标记和清理，避免了传统 GC 的停止世界问题，使得 GC 停顿时间大大减少，应用程序性能得到了提升。

• 不同的 Go 版本不断优化 GC 的并发性和效率，尤其是在 Go 1.11 和之后的版本，GC 变得更加高效和精细。