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= Go垃圾回收 =

== 介绍 ==
'''Go垃圾回收（Garbage Collection, GC）'''是Go语言运行时系统自动管理内存的机制，用于回收不再被程序使用的内存空间。Go的垃圾回收器（Garbage Collector）采用并发标记-清除（Concurrent Mark-Sweep）算法，并结合三色标记法（Tri-Color Marking）实现高效的内存回收。这一机制显著降低了开发者的心智负担，避免了手动内存管理可能导致的错误（如内存泄漏或悬垂指针）。

Go的垃圾回收器的主要特点包括：
* '''并发执行'''：大部分GC工作与用户程序并发运行，减少停顿时间（STW, Stop-The-World）。
* '''分代假设优化'''：虽然Go没有严格的分代GC，但通过逃逸分析优化对象分配。
* '''可调参数'''：开发者可以通过环境变量（如<code>GOGC</code>）调整GC行为。

== 垃圾回收的工作原理 ==
Go的垃圾回收分为以下阶段：

=== 1. 标记阶段（Marking） ===
垃圾回收器会从根对象（如全局变量、栈上的指针）出发，遍历所有可达对象，并将其标记为“存活”。这一阶段使用三色标记法：
* '''白色'''：未被访问的对象（待回收）。
* '''灰色'''：已访问但子对象未完全扫描。
* '''黑色'''：已访问且子对象已完全扫描。

<mermaid>
graph LR
    Root-->|引用| A[灰色]
    A-->|引用| B[白色]
    A-->|引用| C[白色]
    B-->|引用| D[白色]
</mermaid>

=== 2. 清除阶段（Sweeping） ===
回收所有未被标记（白色）的对象的内存空间。

=== 3. 内存整理（可选） ===
在某些情况下，GC会合并内存碎片以提高分配效率。

== 代码示例 ==
以下示例展示Go中垃圾回收的触发场景：

<syntaxhighlight lang="go">
package main

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

func createLargeSlice() {
	// 分配一个较大的切片，触发GC
	_ = make([]byte, 100<<20) // 100MB
}

func main() {
	// 打印GC信息
	runtime.SetGCPercent(100) // 设置GC触发阈值
	fmt.Println("程序开始")

	for i := 0; i < 5; i++ {
		createLargeSlice()
		time.Sleep(1 * time.Second)
		fmt.Printf("GC次数: %d\n", runtime.NumGC())
	}
}
</syntaxhighlight>

'''输出示例：'''
<pre>
程序开始
GC次数: 0
GC次数: 1
GC次数: 2
...
</pre>

解释：
* <code>runtime.SetGCPercent(100)</code> 设置堆内存增长100%时触发GC。
* <code>runtime.NumGC()</code> 返回已发生的GC次数。

== 性能调优 ==
Go提供以下环境变量调整GC行为：
* <code>GOGC</code>：默认值100，表示堆内存增长100%时触发GC。设为<code>off</code>可禁用GC。
* <code>GODEBUG=gctrace=1</code>：打印详细的GC日志。

示例日志格式：
<pre>
gc 1 @0.012s 2%: 0.005+0.015+0.003 ms clock, 0.020+0/0.010/0.015+0.012 ms CPU
</pre>
字段含义：
* <code>gc 1</code>：第1次GC。
* <code>@0.012s</code>：程序启动后的时间。
* <code>2%</code>：GC占用的CPU时间百分比。

== 实际应用场景 ==
=== 案例1：高并发服务 ===
在Web服务器中，频繁的对象分配（如HTTP请求处理）可能引发GC压力。通过对象池（<code>sync.Pool</code>）复用对象可减少GC触发频率。

<syntaxhighlight lang="go">
var pool = sync.Pool{
	New: func() interface{} { return make([]byte, 1024) },
}

func handleRequest() {
	buf := pool.Get().([]byte)
	defer pool.Put(buf)
	// 使用buf处理数据
}
</syntaxhighlight>

=== 案例2：长生命周期对象 ===
全局缓存若持有大量对象，可能导致GC扫描时间过长。可通过弱引用（如<code>weakref</code>第三方库）优化。

== 数学背景 ==
Go的GC触发条件基于堆内存的增长率。设当前堆大小为<math>H</math>，前一次GC后的堆大小为<math>H_{prev}</math>，则当满足以下条件时触发GC：
<math>
H \geq H_{prev} \times (1 + \frac{GOGC}{100})
</math>

== 常见问题 ==
'''Q：如何减少GC停顿？'''
* 减少堆上的对象分配（如使用栈分配或对象池）。
* 降低<code>GOGC</code>值（但会增加GC频率）。

'''Q：GC会影响性能吗？'''
* 是的，但Go的并发GC设计已将影响降至最低。关键路径可通过优化分配策略进一步改善。

== 总结 ==
Go的垃圾回收是自动内存管理的核心组件，通过并发标记-清除算法平衡吞吐量与延迟。开发者可通过调整参数和优化代码结构（如减少逃逸）提升性能。理解GC行为有助于编写高效、稳定的Go程序。

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