三色标记清除法

1、三色标记算法的概述

在我们进行垃圾扫描时，学习过两种算法：引用计数和可达性分析，在Java中我们主要使用的是可达性分析。

可达性算法的三个基础算法为：标记-清除，标记-复制，标记-清除。如果是在STW的情况下，那么哪种算法都不会出错，无非是效率罢了。但是随着计算器硬件的发展，与之对应的计算机软件技术及思想也在不断进步。如在多并发的基础之上，减少STW的时间，完成对垃圾的清除，边清除边标记，这就引出了三色标记算法。

三色指的是：黑色、灰色、白色

• 黑色: 表示对象以及被垃圾收集器访问过，且这个对象的引用都已经扫描过。黑色的对象代表以及扫描过，他是安全存活的，如果有其他对象引用指向了黑色对象，无需重新扫描一遍。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到
• 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，如在分析结束的阶段，仍然是白色的对象，即代表不可达。

2、三色标记的过程

假设现在有白、黑、灰三个集合(表示当前对象的颜色)

1. 刚开始，所有对象都在白色集合中
2. 将GC Roots直接引用的对象挪到灰色集合中
3. 从灰色集合中获取对象：
   • 将本对象的引用到的对象放入灰色集合中
   • 将本对象放入黑色集合中
4. 重复步骤3，直到灰色集合为空结束
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。

注：如果标记结束后对象仍为白色，意味着已经“找不到”该对象在哪了，不可能会再被重新引用。例如没有任何引用指向H了，它是白色，也不可能再有对象引用指向它了。

3、存在问题

用户线程和垃圾回收线程都是线程，自然就有停顿的时间，如果垃圾回收线程的时间片到了，而用户线程做了其他的操作，这就导致了会出现错标和漏标的问题。

3.1 错标

标记过不是垃圾的，变成了垃圾（也叫浮动垃圾），如图：

垃圾回收线程刚刚将D扫完，将D标为黑色，此时垃圾回收线程时间到了，垃圾回收线程暂停。用户线程将D指向E的关系改为，D.E=null，从我们的角度来看，E已经是垃圾了，但是E仍然是灰色，扫描完E后，E会变为黑色，但是这并不影响这个程序的执行，在下一次垃圾回收的过程中，垃圾回收线程就会将E回收掉。

3.2 漏标

这个问题是比较严重的，如下图所示

垃圾回收线程将D标记为黑色，表示D已经扫描完成。此时去扫描他的引用对象E，但是此时垃圾回收线程暂停，用户线程执行了这样一个操作：E.G = null, D.G = G。然后垃圾回收线程回来继续扫描E，**此时在E看来，G就是一个不可达的对象。但是D又引用着G，可是D是黑色，不会在回去重新扫一遍，垃圾回收结束，G的颜色为白色，被清除掉，D去调用G对象，出现空指针异常。**这真的是一件非常恐怖的事情。

4、解决错杀问题

上边描述过了，错杀的情况只有在 下边两个条件同时发生，才会发生：

1. 黑色对象指向了白色对象
2. 本来指向这个白色对象的灰色对象断开了对他的连接

4.1 CMS：写屏障+增量更新（Incremental Update）

在CMS中，如果出现这样的情况：黑色对象指向了白色对象（D.G = G），在执行操作之前，使用钩子函数(写屏障,类似于AOP)，将对象D从黑色变为灰色，这样就使得可以扫到D了。

那么对应灰色集合而言，就等于是一个增量更新。

4.2 G1：写屏障+原始快照（STAB）

在G1中，如此出现这样的情况：灰色对象断开了对白色对象的引用(E.G = null),在执行操作之前，使用钩子函数(写屏障,类似于AOP)，将这个要删除的引用记录下来，在并发扫描结束后，再扫描一遍。

这种做法的思路是：尝试保留开始时的对象图，即原始快照（Snapshot At The Beginning，SATB），当某个时刻 的GC Roots确定后，当时的对象图就已经确定了。

比如 当时 D是引用着G的，那后续的标记也应该是按照这个时刻的对象图走（D引用着G）。如果期间发生变化，则可以记录起来，保证标记依然按照原本的视图来。