三色标记算法和浮动垃圾

阳光穿透心脏的1/2处 2022-09-13 06:21 145阅读 0赞

**三色标记** 在并发标记的过程中 ，因为标记期间应用线程还在继续跑，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。

这里我们引入“ **三色标记** ”来给大家解释下，把Gcroots可达性分析遍历对象过程中遇到的对象， 按照“是否访问过”这个条件标记成以

下三种颜色：

**黑色** ： 表示对象已经被垃圾收集器访问过， 且这个对象的所有引用都已经扫描过。 黑色的对象代表已经扫描

过， 它是安全存活的， 如果有其他对象引用指向了黑色对象， 无须重新扫描一遍。 黑色对象不可能直接（不经过

灰色对象） 指向某个白色对象。

**灰色** ： 表示对象已经被垃圾收集器访问过， 但这个对象上至少存在一个引用还没有被扫描过。

**白色** ： 表示对象尚未被垃圾收集器访问过。 显然在可达性分析刚刚开始的阶段， 所有的对象都是白色的， 若

在分析结束的阶段， 仍然是白色的对象， 即代表不可达。

![watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAY2h1aXh1ZTI0_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16][]

1  /\*\*

2  \*  垃圾收集算法细节之三色标记

3  \*  为了简化例子，代码写法可能不规范，请忽略

4  \*  Created by  诸葛老师

5  \*/

6  public class  ThreeColorRemark  \{

8  public static void  main ( String \[\]  args ) \{

9  A  a  =  new  A ();

10  // 开始做并发标记

11  D  d  =  a . b . d ;  // 1. 读

12  a . b . d  =  null ;  // 2. 写

13  a . d  =  d ;  // 3. 写

14  \}

15  \}

17  class  A  \{

18  B  b  =  new  B ();

19  D  d  =  null ;

20  \}

22  class  B  \{

23  C  c  =  new  C ();

24  D  d  =  new  D ();

25  \}

27  class  C  \{

28  \}

30  class  D  \{

31  \}

**多标-浮动垃圾** 在并发标记过程中，如果由于方法运行结束导致部分局部变量(gcroot)被销毁，这个gcroot引用的对象之前又被扫描过

(被标记为非垃圾对象)，那么本轮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垃圾回收的正确性，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(还有并发清理)开始后产生的新对象，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

对象期间可能也会变为垃圾，这也算是浮动垃圾的一部分。

**漏标-读写屏障**

漏标会导致被引用的对象被当成垃圾误删除，这是严重bug，必须解决，有两种解决方案：  **增量更新（** **Incremental**  **Update） 和原始快照（** **Snapshot At The Beginning，SATB） 。**

**增量更新** 就是当黑色对象插入新的指向白色对象的引用关系时， 就将这个新插入的引用记录下来， 等并发扫描结束之

后， 再将这些记录过的引用关系中的黑色对象为根， 重新扫描一次。 这可以简化理解为，  **黑色对象一旦新插入了指向**  **白色对象的引用之后， 它就变回灰色对象了** 。

**原始快照** 就是当灰色对象要删除指向白色对象的引用关系时， 就将这个要删除的引用记录下来， 在并发扫描结束之后，

再将这些记录过的引用关系中的灰色对象为根， 重新扫描一次，这样就能扫描到白色的对象，将白色对象直接标记为黑

色( **目的就是让这种对象在本轮gc清理中能存活下来，待下一轮gc的时候重新扫描，这个对象也有可能是浮动垃圾** )

以上无论是对引用关系记录的插入还是删除， 虚拟机的记录操作都是通过 **写屏障** 实现的。

**写屏障**

给某个对象的成员变量赋值时，其底层代码大概长这样：

1  /\*\*

2  \*  @param field  某对象的成员变量，如  a . b . d

3  \*  @param new\_value  新值，如  null

4  \*/

5  void  oop\_field\_store ( oop \*  field ,  oop new\_value ) \{

6  \* field  =  new\_value ;  //  赋值操作

7  \}

所谓的写屏障，其实就是指在赋值操作前后，加入一些处理（可以参考AOP的概念）：

1  void  oop\_field\_store ( oop \*  field ,  oop new\_value ) \{

2  pre\_write\_barrier ( field );  //  写屏障 ‐ 写前操作

3  \* field  =  new\_value ;

4  post\_write\_barrier ( field ,  value );  //  写屏障 ‐ 写后操作

5  \}

**写屏障实现SATB**

当对象B的成员变量的引用发生变化时，比如引用消失（

a.b.d = null），我们可以利用写屏障，将B **原来成员变量的引用**

对象D记录下来：

1  void  pre\_write\_barrier ( oop \*  field ) \{

2  oop old\_value  = \* field ;  //  获取旧值

3  remark\_set . add ( old\_value );  //  记录原来的引用对象

4  \}

**写屏障实现增量更新**

当对象A的成员变量的引用发生变化时，比如新增引用（

a.d = d），我们可以利用写屏障，将A **新的成员变量引用** 对象D

记录下来：

1  void  post\_write\_barrier ( oop \*  field ,  oop new\_value ) \{

2  remark\_set . add ( new\_value );  //  记录新引用的对象

3  \}

**读屏障**

1  oop  oop\_field\_load ( oop \*  field ) \{

2  pre\_load\_barrier ( field );  //  读屏障 ‐ 读取前操作 3  return  \* field ;

4  \}

读屏障是直接针对第一步：D d = a.b.d，当读取成员变量时，一律记录下来：

1  void  pre\_load\_barrier ( oop \*  field ) \{

2  oop old\_value  = \* field ;

3  remark\_set . add ( old\_value );  //  记录读取到的对象

4  \}

现代追踪式（可达性分析）的垃圾回收器几乎都借鉴了三色标记的算法思想，尽管实现的方式不尽相同：比如白色/黑色

集合一般都不会出现（但是有其他体现颜色的地方）、灰色集合可以通过栈/队列/缓存日志等方式进行实现、遍历方式可

以是广度/深度遍历等等。

对于读写屏障，以Java HotSpot VM为例，其并发标记时对漏标的处理方案如下：

**CMS：写屏障 + 增量更新**

**G1，Shenandoah：写屏障 + SATB**

**ZGC：读屏障**

工程实现中，读写屏障还有其他功能，比如写屏障可以用于记录跨代/区引用的变化，读屏障可以用于支持移动对象的并

发执行等。功能之外，还有性能的考虑，所以对于选择哪种，每款垃圾回收器都有自己的想法。

注意：读屏障和写屏障并不是所有阶段都是有，只在并发标记阶段会有。

[watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBAY2h1aXh1ZTI0_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]: /images/20220828/2e3f02de166641a1b828c5955aaa64b9.png

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