详解 Go 三色标记法与混合写屏障：为什么不再需要 STW 也能保证安全

在高性能后端开发中，垃圾回收（GC）的停顿时间（STW）往往是系统响应抖动的元凶。Go 语言通过不断演进，在 1.8 版本引入了混合写屏障（Hybrid Write Barrier），极大地缩短了 STW 耗时。本文将带你透视这一机制的核心原理，并通过工具实操观察其表现。

一、三色标记法的基本原理

Go 的 GC 采用的是三色标记法。它将堆上的对象分为三类：
– 白色：潜在的垃圾，其内存可能会被回收。
– 灰色：活跃对象，但其引用的对象尚未被扫描。
– 黑色：活跃对象，且其引用的所有对象都已被扫描完毕。

标记过程：
1. 起始时所有对象都是白色。
2. 从根对象（栈、全局变量）开始扫描，将其标记为灰色。
3. 遍历灰色对象，将它们引用的对象标记为灰色，然后将自己标记为黑色。
4. 重复上述步骤，直到没有灰色对象。
5. 回收所有剩余的白色对象。

二、为什么要写屏障？

在并发标记过程中，如果用户逻辑（Mutator）修改了指针，可能会发生“漏标”：
1. 一个黑色对象指向了一个白色对象。
2. 灰色对象原本指向这个白色对象的引用被断开了。

这会导致该白色对象被错误回收。为了解决这个问题，Go 引入了写屏障（Write Barrier）。

三、从插入/删除屏障到“混合写屏障”

早期的 Go 版本尝试过插入写屏障或删除写屏障，但它们各有缺陷（比如需要在结束标记时重新 STW 扫描栈）。Go 1.8 引入的混合写屏障结合了二者优点：

1. GC 开始将栈上的对象全部扫描并黑色标记（之后不再二次扫描）。
2. GC 期间，任何在栈上创建的新对象直接标记为黑色。
3. 堆上被删除的对象标记为灰色。
4. 堆上新添加的对象标记为灰色。

通过这种机制，保证了黑色对象引用的白色对象如果发生转移，一定会被记录并置灰，从而确保安全性并消除了对栈的重复扫描，使 STW 降至毫秒级甚至微秒级。

四、实操：如何观察 GC 行为？

我们可以通过设置环境变量 GODEBUG 来实时查看 Go 程序的 GC 情况。下面是一个简单的示例：

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "time"
)

func main() {
    // 持续申请内存，模拟垃圾回收压力
    go func() {
        for {
            _ = make([]byte, 10*1024*1024) // 申请 10MB
            time.Sleep(time.Millisecond * 100)
        }
    }()

    for {
        fmt.Println("Running...")
        time.Sleep(time.Second)
    }
}

运行命令：

GODEBUG=gctrace=1 go run main.go

输出解析：
你会看到类似 gc 1 @0.001s 2%: … 0.050+0.42+0.002 ms clock … 的输出。
– 0.050 ms：第一次 STW 时间（标记开始）。
– 0.42 ms：并发标记时间（此时程序正常运行）。
– 0.002 ms：第二次 STW 时间（标记终止）。

从数据可以看出，实际导致停顿的 STW 时间极短，这正是三色标记与混合写屏障协同工作的成果。

五、总结

Go 垃圾回收的进化史就是一部对抗 STW 的斗争史。理解三色标记的“染色”逻辑以及混合写屏障如何通过“着色补偿”保护对象，能帮助我们更好地编写高性能并发程序，并在系统调优时做到心中有数。