面试题：Go垃圾回收的三色标记法在实际实现中如何与写屏障配合

Question

在Go语言垃圾回收机制里，三色标记法是核心算法之一，而写屏障对维持标记过程的正确性至关重要。请详细阐述三色标记法与写屏障在实际实现中的配合方式，以及写屏障如何解决并发垃圾回收中的对象丢失问题。

Answer 1

三色标记法概述

1. 三色定义：
   • 白色：未被垃圾回收器访问到的对象。在垃圾回收开始阶段，所有对象都是白色。
   • 灰色：已被垃圾回收器访问到，但它引用的对象还未全部访问的对象。
   • 黑色：已被垃圾回收器访问到，且它引用的所有对象也都已被访问的对象。
2. 标记过程：
   • 从根对象（如全局变量、栈上的变量等）开始，将所有可达对象染成灰色，放入待处理队列。
   • 从队列中取出灰色对象，将其染成黑色，并将其引用的白色对象染成灰色，重新放入队列，重复此过程，直到队列清空。此时白色对象即为不可达对象，可以回收。

写屏障在三色标记法中的作用

1. 配合方式：
   • 在并发垃圾回收场景下，应用程序和垃圾回收器同时运行。写屏障主要作用于对象引用关系发生变化的时刻。当应用程序进行写操作（修改对象引用）时，写屏障会介入。
   • 写屏障会记录对象引用的变化，确保垃圾回收器能够正确追踪对象间的可达关系。在Go语言中，写屏障采用的是插入写屏障（具体实现会有所不同，这里以插入写屏障为例说明）。
   • 当一个对象（设为A）对另一个对象（设为B）的引用关系发生改变（比如原本A不引用B，现在A引用B了），插入写屏障会将新引用的对象B染成灰色，这样就保证了在垃圾回收标记过程中，新的引用路径能够被正确追踪。
2. 解决对象丢失问题：
   • 对象丢失场景：假设在垃圾回收标记过程中，对象A（黑色）原本引用对象B（白色），在标记过程中，应用程序将A对B的引用移除，同时另一个对象C（灰色）开始引用B。如果没有写屏障，由于A已经是黑色，垃圾回收器不会再重新扫描A，而C在扫描完自己的其他白色引用对象后会被标记为黑色，此时B对象虽然实际上可达，但由于垃圾回收器的标记过程中没有扫描到B，会将B误判为不可达对象，从而造成对象丢失。
   • 写屏障解决方法：插入写屏障在对象引用关系发生变化时（如C引用B时），会将B染成灰色，这样B会被重新加入到待处理队列中，垃圾回收器后续会扫描B，从而避免了对象B被误判为不可达对象，解决了并发垃圾回收中的对象丢失问题。