JVM(十一)三色標記

前言：

所有的垃圾回收算法都要經歷標記階段。如果GC線程在標記的時候暫停所有用戶線程（STW），那就沒三色標記什么事了。但是這樣會有一個問題，用戶線程需要等到GC線程標記完才能運行，給用戶的感覺就是很卡，用戶體驗很差。

現在主流的垃圾收集器都支持並發標記。什么是並發標記呢？就是標記的時候不暫停或少暫停用戶線程，一起運行。這樣就會出現標記對象的過程中又有新的對象產生，或者標記對象過程中有改變對象引用的操作，對象間的引用可能發生變化，多標和漏標的情況就有可能發生。那這些情況標記過程中怎么處理呢？這就設計到標記算法了。

標記算法就是標記出那些對象是可以回收的，然后再執行回收操作。

三色標記，是把對象分成三種不同的顏色來表示不同的狀態。來表示是否可以進行回收。

     從GC Root對象開始掃描訪問。

• 白色：尚未訪問過。
• 黑色：本對象已訪問過，而且本對象 引用到 的其他對象 也全部訪問過了。標記過程中新產生的對象也是黑色的。
• 灰色：本對象已訪問過，但是本對象 引用到 的其他對象 尚未全部訪問完。全部訪問后，會轉換為黑色。

   

   

假設現在有白、灰、黑三個集合（表示當前對象的顏色），其遍歷訪問過程為：

1. 初始時，所有對象都在 【白色集合】中；
2. 將GC Roots 直接引用到的對象 挪到 【灰色集合】中；
3. 從灰色集合中獲取對象：
   3.1. 將本對象 引用到的 其他對象 全部挪到 【灰色集合】中；
   3.2. 將本對象 挪到 【黑色集合】里面。
4. 重復步驟3，直至【灰色集合】為空時結束。
5. 結束后，仍在【白色集合】的對象即為GC Roots 不可達，可以進行回收。

多標-浮動垃圾

假設已經遍歷到E（變為灰色了），此時應用執行了 objD.fieldE = null ：

 

 

此刻之后，對象E/F/G是“應該”被回收的。然而因為E已經變為灰色了，其仍會被當作存活對象繼續遍歷下去。最終的結果是：這部分對象仍會被標記為存活，即本輪GC不會回收這部分內存。

這部分本應該回收 但是 沒有回收到的內存，被稱之為“浮動垃圾”。浮動垃圾並不會影響應用程序的正確性，只是需要等到下一輪垃圾回收中才被清除。

另外，針對並發標記開始后的新對象，通常的做法是直接全部當成黑色，本輪不會進行清除。這部分對象期間可能會變為垃圾，這也算是浮動垃圾的一部分。

漏標-讀寫屏障

假設GC線程已經遍歷到E（變為灰色了），此時應用線程先執行了：

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

此時切回GC線程繼續跑，因為 E已經沒有對G的引用了，所以不會將G放到灰色集合；盡管因為D重新引用了G，但因為 D已經是黑色了，不會再重新做遍歷處理。
最終導致的結果是：G會一直停留在白色集合中， 最后被當作垃圾進行清除。這直接 影響到了應用程序的正確性，是不可接受的。

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不難分析，漏標只有 同時滿足以下兩個條件時才會發生：
條件一：灰色對象 斷開了 白色對象的引用（直接或間接的引用）；即灰色對象 原來成員變量的引用 發生了變化。
條件二：黑色對象 重新引用了 該白色對象；即黑色對象 成員變量增加了 新的引用。

 從代碼的角度看：

var G = objE.fieldG; // 1.讀
objE.fieldG = null;  // 2.寫
objD.fieldG = G;     // 3.寫

1. 讀取 對象E的成員變量fieldG的引用值，即對象G；
2. 對象E 往其成員變量fieldG，寫入 null值。
3. 對象D 往其成員變量fieldG，寫入 對象G ；

我們只要在上面這三步中的任意一步中做一些“手腳”， 將對象G記錄起來，然后作為灰色對象再進行遍歷即可。比如放到一個特定的集合，等初始的GC Roots遍歷完（並發標記），該集合的對象 遍歷即可（重新標記）。

重新標記是需要STW的，因為應用程序一直在跑的話，該集合可能會一直增加新的對象，導致永遠都跑不完。當然，並發標記期間也可以將該集合中的大部分先跑了，從而縮短重新標記STW的時間，這個是優化問題了。

寫屏障用於攔截第二和第三步；而讀屏障則是攔截第一步。
它們的攔截的目的很簡單：就是在讀寫前后，將對象G給記錄下來

上面漏標的情況，由於G會被回收，會導致程序過程中使用會有問題，為了避免這個問題，有兩種方法解決這個問題：

增量更新：

在標記程序運行過程中發生了引用鏈的變動，通過寫屏障將這個變動記錄下來，比如對象A對D建立新的引用時，將D放入一個OopMap中，作為灰色對象，並發標記結束后對這個OopMap進行遍歷，就可以避免漏標的情況。解決條件二。

原始快照：SATB

 

這種方式解決的是條件一，帶來的結果是依然能夠標記到D，具體做法如下： 對象B的引用關系變動的時候，即給B對象中的某個屬性賦值時，將之前的引用關系記錄下來。 標記的時候，掃描舊的對象圖，這個舊的對象圖即原始快照。

 

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