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Go GC：优先考虑低延迟和简洁性
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Go 正在构建一个垃圾收集器（GC），不仅是为了 2015 年，更是为了 2025 年及以后：一个 GC，它支持当今的软件开发，并随着新软件和硬件在未来十年不断发展而扩展。这样的未来将不再容忍“停止世界”（stop-the-world）的 GC 暂停，而这曾是 Go 等安全语言更广泛应用的障碍。
Go 1.5 是这个未来的第一个亮点，其 GC 延迟远低于我们一年前设定的 10 毫秒目标。我们在 Gophercon 的一次演讲中展示了一些令人印象深刻的数字。延迟的改进引起了广泛关注；Robin Verlangen 的博客文章 《每天数十亿次请求遇上 Go 1.5》 用端到端的结果验证了我们的方向。我们特别喜欢 Alan Shreve 的生产服务器图表和他的“天哪，减少 85%”的评论。
如今，16GB RAM 成本为 100 美元，CPU 拥有多个核心，每个核心都有多个硬件线程。十年后，这些硬件将显得陈旧，但今天用 Go 构建的软件将需要扩展以满足不断增长的需求和下一个大事件。考虑到硬件将提供提高吞吐量的能力，Go 的垃圾收集器被设计成优先考虑低延迟，并且只能通过一个旋钮进行调整。Go 1.5 是这条道路上的第一大步，而这些第一步将永远影响 Go 及其最能支持的应用程序。这篇博文将概述我们为 Go 1.5 收集器所做的工作。
润饰
为了创建一个面向未来的垃圾收集器，我们回顾了几十年前的算法。Go 的新垃圾收集器是一个并发、三色、标记-清除的收集器，这一概念最早由 Dijkstra 于 1978 年提出。这与当今大多数“企业级”垃圾收集器形成了刻意的分歧，并且我们认为它非常适合现代硬件的特性和现代软件的延迟要求。
在三色收集器中，每个对象要么是白色、灰色或黑色，我们将堆视为由连接对象组成的图。GC 周期开始时，所有对象都是白色的。GC 访问所有根，这些根是应用程序直接可访问的对象，例如全局变量和栈上的内容，并将它们标记为灰色。然后，GC 选择一个灰色对象，将其标记为黑色，然后扫描它以查找指向其他对象的指针。当扫描发现指向白色对象的指针时，它会将该对象变为灰色。这个过程会重复进行，直到没有灰色对象为止。此时，白色对象被认为是不可达的，可以被重用。
所有这些都与应用程序（称为改变器）在收集器运行时更改指针的操作同时进行。因此，改变器必须维护一个不变量，即没有黑色对象指向白色对象，以免垃圾收集器丢失它已经访问过的堆部分中的某个对象。维护这个不变量是写屏障的职责，它是一个小的函数，当堆中的指针被修改时，改变器会运行它。Go 的写屏障会在指针指向的对象当前是白色时将其变为灰色，从而确保垃圾收集器最终会扫描它以查找指针。
决定何时完成查找所有灰色对象的工作是微妙的，并且如果我们要避免阻塞改变器，可能会很昂贵且复杂。为了保持简单，Go 1.5 会尽可能多地并行执行工作，然后短暂地停止世界（stop-the-world）以检查所有潜在的灰色对象来源。在这次最终的停止世界所需的时间和此 GC 所完成的总工作量之间找到最佳平衡点是 Go 1.6 的一个主要交付成果。
当然，细节决定成败。我们何时开始 GC 周期？我们使用什么指标来做这个决定？GC 应如何与 Go 调度程序交互？我们如何暂停改变器线程足够长的时间来扫描其堆栈？我们如何表示白色、灰色和黑色，以便我们能够有效地查找和扫描灰色对象？我们如何知道根在哪里？我们如何知道对象中的指针在哪里？我们如何最小化内存碎片？我们如何处理缓存性能问题？堆应该有多大？等等，有些与分配有关，有些与查找可达对象有关，有些与调度有关，但很多都与性能有关。这些领域的低级讨论超出了本博文的范围。
从更高层次来看，解决性能问题的一种方法是添加 GC 旋钮，每个旋钮对应一个性能问题。然后，程序员可以调整这些旋钮，为他们的应用程序寻找合适的设置。缺点是，经过十年，每年增加一两个新旋钮，最终会催生《GC 旋钮调整员就业法》。Go 不会走这条路。相反，我们提供了一个名为 GOGC 的单一旋钮。此值控制堆的总大小相对于可达对象的大小。默认值 100 表示堆的总大小现在比上一个收集周期后可达对象的大小大 100%（即两倍）。200 表示堆的总大小比可达对象的大小大 200%（即三倍）。如果您想减少 GC 所花费的总时间，请增加 GOGC。如果您想用更多的 GC 时间换取更少的内存，请降低 GOGC。
更重要的是，随着下一代硬件 RAM 翻倍，简单地将 GOGC 翻倍将使 GC 周期数量减半。另一方面，由于 GOGC 基于可达对象的大小，加倍负载（通过使可达对象加倍）无需重新调整。应用程序会自动扩展。此外，由于不受支持数十个旋钮的负担，运行时团队可以专注于根据真实客户应用程序的反馈来改进运行时。
要点
Go 1.5 的 GC 预示着一个未来，在这个未来中，“停止世界”的暂停不再是迁移到安全语言的障碍。这是一个应用程序可以轻松随硬件扩展的未来，并且随着硬件变得越来越强大，GC 将不会阻碍更好、更具可扩展性的软件。这是未来十年及以后一个不错的发展方向。有关 1.5 GC 的更多详细信息以及我们如何消除延迟问题，请参阅 “Go GC：延迟问题已解决”演示文稿或幻灯片。
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