垃圾收集底层算法实现三色标记

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。

三色标记：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。

示例代码（与上面图无关，示例代码）

public class ThreeColorRemark {

    public static void main(String[] args) {
        A a = new A(); //忽略报错信息
        //开始做并发标记
        D d = a.b.d; // 1.读
        System.out.println("开始的d的内存地址"+d);
        if (Objects.isNull(d)){
            System.out.println("开始的d是null"+d);
        }
        a.b.d = null; // 2.写
        System.out.println("中间的d的内存地址"+a.b.d);
        if (Objects.isNull(a.b.d)){
            System.out.println("中间的d是null"+a.b.d);
        }
        a.d = d; // 3.写
        System.out.println("最后d的内存地址"+a.d);
        if (Objects.isNull(a.d)){
            System.out.println("最后的d是null"+a.d);
        }
    }
}
class A {
    B b = new B();
    D d = null;
}

class B {
    C c = new C();
    D d = new D();
}

class C {
}

class D {
}

讲一下代码运行与标记过程

1、首先CMS是有初始标记、并发标记、重新标记，其中初始标记、重新标记会STW。

2、当运代码执行到 A a = new A(); 时，

有了A的引用，对象A又引用了B，B引用了C、D

注意，在这一个时刻，Gcroots开始并发扫描，扫描到了A，并且扫描到了B，所以A变黑色，

扫描到了C，所以C变黑色，

但是还没有扫描到D，所以B是灰色，D是白色。

图应该是这样:(只是这一个时刻，并发扫描并没有结束)

可以这么理解：黑色被分析完了、灰色还没有分析完、白色是还没有被分析过。

默认都是白色。（分析指的是：Gcroots可达性分析）

3、在下一个时刻，b.d = null; a.d = d;

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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。

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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）

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 )

人话版：原始快照不会管新增的引用，它关心的是删除的引用，它会在集合里放一个指向D(对象)的引用，重新标记是，集合内所有引用全部标记为黑色。

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： ( 以下皆为伪代码 )

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）：

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：

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：

读屏障

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：

hotspot 的源码为（大致看下即可）

可以看到，逻辑和展示的伪代码相似，源代码使用了队列，做了异步处理。

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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。

为什么G1用SATB？CMS用增量更新？

我的理解：SATB相对增量更新效率会高(当然SATB可能造成更多的浮动垃圾)，因为不需要在重新标记阶段再次深度扫描

被删除引用对象，而CMS对增量引用的根对象会做深度扫描，G1因为很多对象都位于不同的region，CMS就一块老年代

区域，重新深度扫描对象的话G1的代价会比CMS高，所以G1选择SATB不深度扫描对象，只是简单标记，等到下一轮GC

再深度扫描。

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