JVM 三色标记算法，原来是这么回事！

偏执的太偏执、 2023-10-01 23:35 10阅读 0赞

最近和一个朋友聊天，他问了我 JVM 的三色标记算法。我脑袋一愣发现竟然完全不知道！于是我带着疑问去网上看了几天的资料，终于搞清楚啥是三色标记算法，它是用来干嘛的，以及它和 CMS 回收器和 G1 回收器的关系了。今天，就让树哥带着大家一起盘一盘它！

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文章思维导图

### 根可达算法 ###

我们要进行垃圾回收，就需要弄明白哪些对象是需要回收的，哪些对象是不需要回收的。针对这个问题，其实业界已经有几种常见的解决方法了。

第一种是计数法，就是每个对象都有一个计数器，被引用了加一，移除引用减一。但这种方法比较麻烦，而且也会有循环依赖的问题，因此并不被广泛使用。第二种是根可达算法，即以 GCRoots 为基础去扫描整个引用链，从而找到所有的可达对象，那剩下的其他对象就是不可达的垃圾对象了。

**现在被广泛使用的是第二种算法，即根可达算法。**

那怎么去实现根可达算法呢？

**最简单的一种实现方案是：从　GCRoots 节点开始，使用「标记 - 清除」算法去实现。**

这种实现方案分为两个阶段，分别是：标记阶段、清除阶段。在标记阶段，它从 GCRoots 节点开始扫描整个引用链，找到所有可达的对象。在清除阶段，扫描整个引用链的不可达对象，然后将垃圾对象清除掉。整个算法实现过程如下图所示。

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图片引用自维基百科

**但这种方式有一个很大的缺点：整个过程必须「Stop the World」。这就导致整个应用程序必须停止，不能做任何改变，这是非常不友好的。** CMS 回收器出现之前的所有回收器，都是用这种方式实现的，因此 GC 停顿时间都比轿长。

### 三色标记算法 ###

为了解决上面「标记 - 清除」算法的问题，于是就出现了「三色标记算法」！

**三色标记算法指的是将所有对象分为白色、黑色和灰色三种类型。黑色表示从 GCRoots 开始，已扫描过它全部引用的对象，灰色指的是扫描过对象本身，还没完全扫描过它全部引用的对象，白色指的是还没扫描过的对象。**

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图片引用自维基百科

但仅仅将对象划分成三个颜色还不够，真正关键的是：**实现根可达算法的时候，将整个过程拆分成了初始标记、并发标记、重新标记、并发清除四个阶段。**

*  初始标记阶段，指的是标记 GCRoots 直接引用的节点，将它们标记为灰色，这个阶段需要 「Stop the World」。
 *  并发标记阶段，指的是从灰色节点开始，去扫描整个引用链，然后将它们标记为黑色，这个阶段不需要「Stop the World」。
 *  重新标记阶段，指的是去校正并发标记阶段的错误，这个阶段需要「Stop the World」。
 *  并发清除，指的是将已经确定为垃圾的对象清除掉，这个阶段不需要「Stop the World」。

对比一下「四阶段拆分」和「一段式」的实现方式，我们可以看出：**通过将最耗时的引用链扫描剥离出来作为并发标记阶段，将其与用户线程并发执行，从而极大地降低了 GC 停顿时间。** 但 GC 线程与用户线程并发执行，会带来新的问题：对象引用关系可能会发生变化，有可能发生多标和漏标问题。

### 多标与漏标问题 ###

**多标问题指的是原本应该回收的对象，被多余地标记为黑色存活对象，从而导致该垃圾对象没有被回收。** 多标问题会出现，是因为在并发标记阶段，有可能之前已经被标记为存活的对象，其引用被删除，从而变成了不可达对象。例如下图中，假设我们现在遍历到了节点 E，此时应用执行了 `objD.fieldE = null;`。那么此刻之后，对象 E、F、G 应该是被回收的。但因为节点 E 已经是灰色的，那么 E、F、G 节点都会被标记为存活的黑色状态，并不会被回收。

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图片来自网络

多标问题会导致内存产生浮动垃圾，但好在其可以再下次 GC 的时候被回收，因此问题还不算很严重。

**漏标问题指的是原本应该被标记为存活的对象，被遗漏标记为黑色，从而导致该垃圾对象被错误回收。** 例如下图中，假设我们现在遍历到了节点 E，此时应用执行如下代码。这时候因为 E 对象没有引用了 G 对象，因此扫描 E 对象的时候并不会将 G 对象标记为黑色存活状态。但由于用户线程的 D 对象引用了 G 对象，这时候 G 对象应该是存活的，应该标记为黑色。但由于 D 对象已经被扫描过了，不会再次扫描，因此 G 对象就被漏标了。

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

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图片来自网络

漏标问题就非常严重了，其会导致存活对象被回收，会严重影响程序功能。

那么我们的垃圾回收器是怎么解决这个问题的呢？

答案是：**增加一个「重新标记」阶段。无论是在 CMS 回收器还是 G1 回收器，它们都在并发标记阶段之后，新增了一个「重新标记」阶段来校正「并发标记」阶段出现的问题。** 只是对于 CMS 回收器和 G1 回收器来说，它们解决的原理不同罢了。

### 漏标解决方案 ###

正如前面所说，三色标记算法会造成漏标和多标问题。但多标问题相对不是那么严重，而漏标问题才是最严重的。我们经过分析可以知道，漏标问题要发生需要满足如下两个充要条件：

1.  有至少一个黑色对象在自己被标记之后指向了这个白色对象
2.  所有的灰色对象在自己引用扫描完成之前删除了对白色对象的引用

只有当上面两个条件都满足，三色标记算法才会发生漏标的问题。换言之，如果我们破坏任何一个条件，这个白色对象就不会被漏标。**这其实就产生了两种方式，分别是：增量更新、原始快照。CMS 回收器使用的增量更新方案，G1 采用的是原始快照方案。**

#### CMS 解决方案 ####

**CMS 回收器采用的是增量更新方案，即破坏第一个条件：「有至少一个黑色对象在自己被标记之后指向了这个白色对象」。**

既然有黑色对象在自己标记后，又重新指向了白色对象。那么我就把这个黑色对象的引用记录下来，在后续「重新标记」阶段再以这个黑色对象为跟，对其引用进行重新扫描。通过这种方式，被黑色对象引用的白色对象就会变成灰色，从而变为存活状态。

这种方式有个缺点，就是会重新扫描新增的这部分黑色对象，会浪费多一些时间。但是这段时间相对于并发标记整个链路的扫描，还是小巫见大巫，毕竟真正发生引用变化的黑色对象是比较少的。

#### G1 解决方案 ####

**G1 回收器采用的是原始快照的方案，即破坏第二个条件：「所有的灰色对象在自己引用扫描完成之前删除了对白色对象的引用」。**

既然灰色对象在扫描完成后删除了对白色对象的引用，那么我是否能在灰色对象取消引用之前，先将灰色对象引用的白色对象记录下来。随后在「重新标记」阶段再以白色对象为根，对它的引用进行扫描，从而避免了漏标的问题。通过这种方式，原本漏标的对象就会被重新扫描变成灰色，从而变为存活状态。

**这种方式有个缺点，就是会产生浮动垃圾。** 因为当用户线程取消引用的时候，有可能是真的取消引用，对应的对象是真的要回收掉的。这时候我们通过这种方式，就会把本该回收的对象又复活了，从而导致出现浮动垃圾。但相对于本该存活的对象被回收，这个代码还是可以接受的，毕竟在下次 GC 的时候就可以回收了。

**对于 CMS 和 G1 这两种处理方案哪种更好，很多资料说的是 G1 这种解决方案更好。** 原因是其觉得 G1 这种方式产生了一些浮动垃圾，但节省了一些时间。但我对比了一下发现：CMS 和 G1 都需要重新对某些元素进行引用链扫描。从这点看来，好像差别不大。有弄懂的朋友可以评论区留言讨论讨论。

### 总结 ###

看完了整篇文章，我们试图来回答一些问题。

**三色标记算法是什么？** 三色标记算法是根可达算法的一种实现方案，其目的是为了找出所有可达对象。

**为什么要有三色标记算法？** 因为传统的「标记 - 清除」算法效率太低，于是采用三色标记算法通过将对象分成白色、黑色、灰色，以及将整个过程拆分成「初始标记、并发标记、重新标记、并发清除」4 个过程，从而降低 GC 停顿时间。

**三色标记算法有什么缺陷？** 三色标记算法会产生多标和漏标问题，其中漏标问题最严重。漏标问题会导致本该存活的对象被回收，从而导致严重的程序问题。

**漏标有什么解决方案？** 漏标有两种解决方案，分别是：增量更新和原始快照方式。CMS 回收器采用了增量更新方式，G1 回收器采用了原始快照方式。

**漏标哪种解决方案最好？** 江湖传闻 G1 回收器的原始快照方式效率高，但没有确切的理论证明，且听且珍惜。

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