JVM(十一)三色标记

前言：

所有的垃圾回收算法都要经历标记阶段。如果GC线程在标记的时候暂停所有用户线程（STW），那就没三色标记什么事了。但是这样会有一个问题，用户线程需要等到GC线程标记完才能运行，给用户的感觉就是很卡，用户体验很差。

现在主流的垃圾收集器都支持并发标记。什么是并发标记呢？就是标记的时候不暂停或少暂停用户线程，一起运行。这样就会出现标记对象的过程中又有新的对象产生，或者标记对象过程中有改变对象引用的操作，对象间的引用可能发生变化，多标和漏标的情况就有可能发生。那这些情况标记过程中怎么处理呢？这就设计到标记算法了。

标记算法就是标记出那些对象是可以回收的，然后再执行回收操作。

三色标记，是把对象分成三种不同的颜色来表示不同的状态。来表示是否可以进行回收。

     从GC Root对象开始扫描访问。

白色：尚未访问过。

黑色：本对象已访问过，而且本对象 引用到 的其他对象 也全部访问过了。标记过程中新产生的对象也是黑色的。

灰色：本对象已访问过，但是本对象 引用到 的其他对象 尚未全部访问完。全部访问后，会转换为黑色。

 

 

假设现在有白、灰、黑三个集合（表示当前对象的颜色），其遍历访问过程为：

1. 初始时，所有对象都在 【白色集合】中；
2. 将GC Roots 直接引用到的对象 挪到 【灰色集合】中；
3. 从灰色集合中获取对象：
   3.1. 将本对象 引用到的 其他对象 全部挪到 【灰色集合】中；
   3.2. 将本对象 挪到 【黑色集合】里面。
4. 重复步骤3，直至【灰色集合】为空时结束。
5. 结束后，仍在【白色集合】的对象即为GC Roots 不可达，可以进行回收。

多标-浮动垃圾

假设已经遍历到E（变为灰色了），此时应用执行了 objD.fieldE = null ：

 

 

此刻之后，对象E/F/G是“应该”被回收的。然而因为E已经变为灰色了，其仍会被当作存活对象继续遍历下去。最终的结果是：这部分对象仍会被标记为存活，即本轮GC不会回收这部分内存。

这部分本应该回收 但是 没有回收到的内存，被称之为“浮动垃圾”。浮动垃圾并不会影响应用程序的正确性，只是需要等到下一轮垃圾回收中才被清除。

另外，针对并发标记开始后的新对象，通常的做法是直接全部当成黑色，本轮不会进行清除。这部分对象期间可能会变为垃圾，这也算是浮动垃圾的一部分。

漏标-读写屏障

假设GC线程已经遍历到E（变为灰色了），此时应用线程先执行了：

var G = objE.fieldG; 
objE.fieldG = null;  // 灰色E 断开引用 白色G 
objD.fieldG = G;  // 黑色D 引用 白色G

此时切回GC线程继续跑，因为E已经没有对G的引用了，所以不会将G放到灰色集合；尽管因为D重新引用了G，但因为D已经是黑色了，不会再重新做遍历处理。
最终导致的结果是：G会一直停留在白色集合中，最后被当作垃圾进行清除。这直接影响到了应用程序的正确性，是不可接受的。

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不难分析，漏标只有同时满足以下两个条件时才会发生：
条件一：灰色对象 断开了 白色对象的引用（直接或间接的引用）；即灰色对象 原来成员变量的引用 发生了变化。
条件二：黑色对象 重新引用了 该白色对象；即黑色对象 成员变量增加了 新的引用。

 从代码的角度看：

var G = objE.fieldG; // 1.读
objE.fieldG = null;  // 2.写
objD.fieldG = G;     // 3.写

1. 读取 对象E的成员变量fieldG的引用值，即对象G；
2. 对象E 往其成员变量fieldG，写入 null值。
3. 对象D 往其成员变量fieldG，写入 对象G ；

我们只要在上面这三步中的任意一步中做一些“手脚”，将对象G记录起来，然后作为灰色对象再进行遍历即可。比如放到一个特定的集合，等初始的GC Roots遍历完（并发标记），该集合的对象 遍历即可（重新标记）。

重新标记是需要STW的，因为应用程序一直在跑的话，该集合可能会一直增加新的对象，导致永远都跑不完。当然，并发标记期间也可以将该集合中的大部分先跑了，从而缩短重新标记STW的时间，这个是优化问题了。

写屏障用于拦截第二和第三步；而读屏障则是拦截第一步。
它们的拦截的目的很简单：就是在读写前后，将对象G给记录下来

上面漏标的情况，由于G会被回收，会导致程序过程中使用会有问题，为了避免这个问题，有两种方法解决这个问题：

增量更新：

在标记程序运行过程中发生了引用链的变动，通过写屏障将这个变动记录下来，比如对象A对D建立新的引用时，将D放入一个OopMap中，作为灰色对象，并发标记结束后对这个OopMap进行遍历，就可以避免漏标的情况。解决条件二。

原始快照：SATB

 

这种方式解决的是条件一，带来的结果是依然能够标记到D，具体做法如下：
对象B的引用关系变动的时候，即给B对象中的某个属性赋值时，将之前的引用关系记录下来。
标记的时候，扫描旧的对象图，这个旧的对象图即原始快照。

 

参考文章：https://www.jianshu.com/p/12544c0ad5c1