大纲:
- 插入写屏障
- 删除写屏
- 混合写屏障
- golang 混合写屏障实现
- 源码文件
- 写屏障代码触发点
- 对象置灰
- 暂停 goroutine，栈扫描
首先明白一个前提，栈上，寄存器对象的赋值(插入，删除)不能 hook ，这个因为实力不允许(太复杂，做不到)。
插入写屏障
Dijkstra屏障
我们先看来下下面的伪代码：
总结：
如果是纯粹的插入写屏障是满足强三色不变式的(永远不会出现黑色对象指向白色对象)；但是由于栈上对象无写屏障(不 hook)，那么导致黑色的栈可能指向白色的堆对象，所以必须假定赋值器(mutator)是灰色赋值器，扫描结束之后，必须 STW 重新扫描栈才能确保不丢对象；STW 重新扫描栈再 goroutine 量大且活跃的场景，延迟不可控，经验值平均 10-100ms；golang 1.5 之后实现的就是这种类型的插入写屏障。
删除写屏障
Yuasa-style 屏障
我们先看来下下面的伪代码：
总结：
删除写屏障也叫基于快照的写屏障方案，必须在起始时，STW 扫描整个栈(注意了，是所有的 goroutine 栈)，保证所有堆上在用的对象都处于灰色保护下，保证的是弱三色不变式；由于起始快照的原因，起始也是执行 STW，删除写屏障不适用于栈特别大的场景，栈越大，STW 扫描时间越长，对于现代服务器上的程序来说，栈地址空间都很大，所以删除写屏障都不适用，一般适用于很小的栈内存，比如嵌入式，物联网的一些程序；并且删除写屏障会导致扫描进度(波面)的后退，所以扫描精度不如插入写屏障；
思考问题：我不整机暂停 STW 栈，而是一个栈一个栈的快照，这样也没有 STW 了，是否可以满足要求？(这个就是当前 golang 混合写屏障的时候做的哈，虽然没有 STW 了，但是扫描到某一个具体的栈的时候，还是要暂停这一个 goroutine 的),不行，纯粹的删除写屏障，起始必须整个栈打快照，要把所有的堆对象都处于灰色保护中才行。
举例：如果没有把栈完全扫黑，那么可能出现丢数据，如下：
初始状态：
A 是 g1 栈的一个对象，g1栈已经扫描完了，并且 C 也是扫黑了的对象；
B 是 g2 栈的对象，指向了 C 和 D，g2 完全还没扫描，B 是一个灰色对象，D 是白色对象；
步骤一：g2 进行赋值变更，把 C 指向 D 对象，这个时候黑色的 C 就指向了白色的 D(由于是删除屏障，这里是不会触发hook的)
步骤二：把 B 指向 C 的引用删除，由于是栈对象操作，不会触发删除写屏障；
步骤三：清理，因为 C 已经是黑色对象了，所以不会再扫描，所以 D 就会被错误的清理掉。
解决办法有如下：
方法一：栈上对象也 hook，所有对象赋值(插入，删除)都 hook(这个就不实际了);所有的插入，删除如果都 hook ，那么一定都不会有问题，虽然本轮精度很差，但是下轮回收可以回收了。但是还是那句话，栈，寄存器的赋值 hook 是不现实的。
方法二：起始快照整栈跨找，扫黑，使得整个堆上的在用对象都处于灰色保护；整栈扫黑，那么在用的堆上的对象是一定处于灰色堆对象的保护下的，之后配合堆对象删除写屏障就能保证在用对象不丢失。
方法三：加入插入写屏障的逻辑，C 指向 D 的时候，把 D 置灰，这样扫描也没问题。这样就能去掉起始 STW 扫描，从而可以并发，一个一个栈扫描。细品下，这不就成了当前在用的混合写屏障了，所以我觉得正确的理解方式应该是：混合写屏障 = 删除写屏障 + 插入写屏障，必须先理解下删除写屏障，你才能理解混合写屏障。
混合写屏障
golang 1.5 之后已经实现了插入写屏障，但是由于栈对象赋值无法 hook 的原因，导致扫描完之后还有一次 STW 重新扫描栈的整机停顿，混合写屏障就是解决这个问题的。
我们先看下论文中的伪代码：
我们先看golang 实际实现的伪代码：
总结：
混合写屏障继承了插入写屏障的优点，起始无需 STW 打快照，直接并发扫描垃圾即可；混合写屏障继承了删除写屏障的优点，赋值器是黑色赋值器，扫描过一次就不需要扫描了，这样就消除了插入写屏障时期最后 STW 的重新扫描栈；混合写屏障扫描精度继承了删除写屏障，比插入写屏障更低，随着带来的是 GC 过程全程无 STW；混合写屏障扫描栈虽然没有 STW，但是扫描某一个具体的栈的时候，还是要停止这个 goroutine 赋值器的工作的哈(针对一个 goroutine 栈来说，是暂停扫的，要么全灰，要么全黑哈，原子状态切换)；
思考一个问题：混合写屏障是全面去除 STW 的一个改进，转而并发一个一个栈处理的方式(每个栈单独暂停)，从而消除了整机 STW 的影响，带来了吞吐的提升。有没有想过，这种 STW 整个系统栈，而只暂停一个 goroutine 栈会不会有问题，我钻牛角尖的思考过一些奇怪的场景，比如下面：
初始状态：
goroutine 1 已经被扫描黑了(由于混合写屏障的场景，赋值器是黑色赋值器，之后不会在扫描了)，goroutine 1 上的 A 对象 指向 nil ；
B 唯一指向 C(灰色的栈对象 B，白色的 C 对象)；
步骤一：赋值器(g1)把 A 指向 C，赋值器(g2)把 B 指向 nil，删除 B -> C 的引用，由于A，B 都是栈上的对象，所以这里的赋值都不会触发写屏障；
这样操作下来，是不是就有问题了？
黑色的 A 指向了白色的 C，并且是唯一指向。由于我们说混合写屏障这里是黑色赋值器，黑色的 goroutine 1 栈是不会再扫描了，那等扫描完了，C 岂不是被错误回收了 ！！！
这里不会哈。因为这种情况不会出现，证明如下：
如果要实现如上所述场景，需要满足条件：
goroutine 1 栈上的黑色对象 A 引用白色对象 C 只有两种场景：
goroutine 1 持有 goroutine 2 栈上的对象 B ;
goroutine 1 对象 C；
g1 不能直接持有 B，不同栈的对象是无法相互访问的，否则就会溢出到堆上；
g1 不能直接持有 C，直接持有它就违反了假设，并且如果真是直接持有 C，C 一定是灰色的；
(旁白，理解一句话，对象不是天上掉下来的，一定是有路可循的。)
撇开这个上面的假设，如果 A 非要引用到 C ，可以通过 A 下面的一个对象 X ( X 指向 C)来获取，但如此一来，C 一定会处于灰色保护下;
golang 混合写屏障实现
源码文件
下面以 golang 1.13.3 版本源码演示举例。
golang 当前实际实现的是混合写屏障。这部分的代码在 src/runtime 这个下面，golang 是有运行时(runtime)的概念的，运行时是啥？就是语言层面就形成的管理逻辑，主要工作是 goroutine 创建，调度，销毁，内存分配，垃圾回收等逻辑。有了运行时，就可以保证 golang 业务代码的简单 和 语言本身的强大。runtime 下有大量的汇编实现的代码，这部分主要是考虑极致的性能，其实大部分还是 golang 的逻辑代码，另外还有如下子目录，分别是 cgo，pprof 的支持等。
Go SDK 1.13.3：
在 golang 源代码 mbarrier.go 里面有详细说明，但是提一点，golang 的实际实现其实做了一个简化，把 if 条件判断去掉了，这样的实现更简单，精度差一些。
怎么理解精度会差呢？
因为有了删除写屏障的加持，golang 的栈是黑色赋值器，扫描过是不需要再扫描的。所以如果栈式灰色的，才需要置灰色，否则是 pass 的。golang 处于短期实现的一个简单化处理，源码实现其实是没有这个判断的，所以自然精度就会差些，但是实际效果其实还行。
混合写屏障伪代码：
golang 实际实现伪代码如下：
也就是是说，如果在垃圾回收阶段，只要是堆上的一个赋值 *slot = ptr 那么都会被 hook 住，然后把旧值(*slot)指向的对象，和新值(ptr)指向的对象都置灰(投到扫描队列)。
这个就是混合写屏障完整的逻辑了。
写屏障代码触发点
重点：
写屏障的代码在编译期间生成好，之后不会再变化；
堆上对象赋值才会生成写屏障；
哪些对象分配在栈上，哪些分配在堆上？也是编译期间由编译器决定，这个过程叫做“逃逸分析”；
举例： main.funcAlloc0
反汇编就能看到编译出的代码，如下：
在合适的位置，编译器给你程序添加的指令函数 runtime·gcWriteBarrier，这个就是入口，每次堆对象赋值，如果开启了垃圾回收开关，都会去里面转一圈。
实现伪代码如下：
注意参数 gcWriteBarrier 传值在 golang 里是个特例，这里用的是寄存器( golang 的惯例是用栈来传递的，但是考虑性能原因，这里必须用寄存器了)，详情见文章 golang 垃圾回收(二)屏障技术 。 runtime·gcWriteBarrier 这个函数是个纯汇编的函数，golang 按照不同的 cpu 指令集实现的，路径可以去看 src/runtime/asm_amd64.s 这个文 代码注释如下：
实现伪代码如下：
混合写屏障的两个 shade 直接操作就是上面的两行汇编赋值了：
runtime·gcWriteBarrier 函数干啥的，这个函数其实只干两件事：
执行写请求(原本就要做的事情)
处理 GC 相关的逻辑(投队列，置灰色保护)
那为什么上面 gcWriteBarrier 这个函数怎么复杂？
其实是做的一个优化处理，每次触发写屏障的时候( hook )，我们当然可以直接shade(ptr)，但是我们知道，毕竟这段写屏障的代码是比业务多出来的，这些都是开销，我们能快就快，每次这样做太零散，我们可以攒一批，一批队列满了，一批去入队，置灰色。这样效率更高。一般情况下，只需要简单入队就行了，buf 满了之后，才 flush 去批量置灰，这样写屏障对业务的影响就更小了，wbBuf 就是这个队列的实现。
wbBufFlush
这个函数 wbBufFlush 是 golang 实现的，在文件 src/runtime/mwbbuf.go 里。本质上是封装调用 wbBufFlush1 ，这个函数才是 hook 写操作想要做的事情，这个函数做两个事情：
批量循环处理 buf 队列里的值；
shade(这个值)；
对象置灰
说了这么久“置灰色”，那么到底写屏障是怎么置灰色的？实现如何。其实本质下就下面一行代码，在文件 src/runtime/mwbbuf.go 的函数 wbBufFlush1：
// Enqueue the greyed objects.
gcw.putBatch(ptrs[:pos])
在 golang 里面，到底什么样的是灰色对象？
只要在扫描队列中的对象，就是灰色的。
其实，白，灰，黑 三色这个是我们认为抽象出来的概念，也就是所谓的三色标记法，那么这个概念落到实处，又是怎么样的实现。
golang 内部对象并没有保存颜色的属性，三色只是对他们的状态的描述，是通过一个队列 + 掩码位图 来实现的：
白色对象：对象所在 span 的 gcmarkBits 中对应的 bit 为 0，不在队列；
灰色对象：对象所在 span 的 gcmarkBits 中对应的 bit 为 1，且对象在扫描队列中；
黑色对象：对象所在 span 的 gcmarkBits 中对应的 bit 为 1，且对象已经从扫描队列中处理并摘除掉；
暂停 goroutine，栈扫描
扫描某个栈的函数 scang ，实现在文件 src/runtime/proc.go 里。scang 即为 scan goroutine 的意思，gc 扫描 goroutine 的时候，必须暂停 goroutine，也就是 block 住它，这段时间这个 goroutine 的业务是暂停的，直到扫描完 goroutine 的 stack 就可以放开了。
scang 在markroot 函数里调用(位于 src/runtime/mgcmark.go )，实现如下：
scang 这个函数是非常重要的事情，这个函数灰阻塞扫描一个 goroutine，直到扫描栈(注意了，只需要扫描完栈)完成就可以解锁了。
代码如下( src/runtime/proc.go )：
scang 处理非 running 三种状态转换：
scang 处理 running 状态： 总结下 scang 做的最重要的两个事情：
如果 goroutine 是已经挂起的状态了( _Grunnable，_Gsyscall，_Gwaiting )：
首先，goroutine 设置上 Gscan ；
扫描栈 scanstack ；
重启 goroutine 状态，去掉 Gscan 状态标识；
如果 goruotine 是 running 状态，那么就不是在现场扫描了，而是抢占通知 goroutine 本身去扫描，扫描完了，通过 gp.gcscandone 来识别；
goroutine 设置了这个抢占标识之后，goroutine 能立马识别到，然后自己扫描栈，扫描完了设置 gp.gcscandone = true ；
设置 gp.preemptscan = true ，gp.preempt = true，gp.stackguard0 = stackPreempt ；
等待 gp.gcscandone 为 true ，为 true 的时候，说明 goroutine 自己已经扫描完了，scang 就可以退出了；
scanstack
这个函数简单就提一下，本质上是调用 scanblock 来扫描栈内存，接收参数为开始地址和结束边界，从而确定扫描范围。
扫描的实现非常朴实，就是一个个内存块，扫描分析，读一个，分析一个，发现指针投入队列，步进长度是以指针长度( 8 字节 )。
抢占调度
golang goroutine 的抢占调度是协商性质的(旁白：抢占只针对文明人，粗鲁人你抢占不了)，不过这个是在 golang 1.14 之前的历史了，因为 golang 1.14 实现了真正的抢占，是基于异步信号的抢占，这种就不管协程本身文不文明了。咱们这里说的是 golang 1.13 哈。
总结一句话：系统想让某个 goroutine 自己放弃执行权，会给这个协程设置一个魔数，协程调用函数的时候，会有机会看到这个魔数标识，识别这个魔数标识到了就可以切走 cpu 了。
go 1.13 抢占实现是：
给这个协程设置一个的魔数( stackguard )，每个函数的入口会比较当前栈寄存器值和 stackguard 值来决定是否触发 morestack 函数，(这是一个抢占调度点)；
scang 里面有这么一行代码：gp.stackguard0 = stackPreempt ；
goroutine 协程调用函数的时候，会检查是否需要栈扩容，如果被设置了抢占标示，那么就会调用函数 newstack ；在 newstack 里面判断是否是特殊值 stackPreempt ，这种特殊值目的不在于扩容，而在于抢占调度；
在 golang 里面，只要有函数调用，就会有感知抢占的时机，STW 就是基于这个实现的。
newstack
newstack 本质上是一个分配 goroutine 栈的函数，位于 src/runtime/stack.go，但是里面有配合抢占调度的逻辑，这部分逻辑是非常重要的；
// src/runtime/stack.go: newstack
总结:
虽然 golang 是先实现的插入写屏障，后实现的混合写屏障，但是从理解上，应该是先理解删除写屏障，后理解混合写屏障会更容易理解；
插入写屏障没有完全保证完整的强三色不变式(栈对象的影响)，所以赋值器是灰色赋值器，最后必须 STW 重新扫描栈；
混合写屏障消除了所有的 STW，实现的是黑色赋值器，不用 STW 扫描栈；
混合写屏障的精度和删除写屏障的一致，比以前插入写屏障要低；
混合写屏障扫描栈式逐个暂停，逐个扫描的，对于单个 goroutine 来说，栈要么全灰，要么全黑；
暂停机制通过复用 goroutine 抢占调度机制来实现；
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