JVM三色标记

三色标记

什么是三色标记法

三色标记法，也被称为Tri-color Marking Algorithm，是一种用于追踪对象存活状态的垃圾回收算法。它基于William D. Hana和Mark S. McCulleghan在1976年提出的两色标记法的基础上进行了改进。

与两色标记法只能将对象标记为“黑色”（已访问过）或“白色”（未访问过）不同，三色标记法引入了额外的“灰色”（正在被访问）状态。

黑色：代表该对象以及该对象下的属性全部被标记过了。（程序需要用到的对象，不应该被回收）

灰色：对象被标记了，但是该对象下的属性未被完全标记。（需要在该对象中寻找垃圾）

白色：对象未被标记（需要被清除的垃圾）

GC Roots

在Java语言中，“GC roots”, 或者说tracing GC的"根集合", 是一组必须活跃的引用。

1. 在虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象，譬如各个线程被调用的方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等。

2. 在方法区中类静态属性引用的对象，譬如Java类的引用类型静态变量。

3. 在方法区中常量引用的对象，譬如字符串常量池（String Table）里的引用。

4. 本地方法栈中 JNI（Native方法）引用的对象

工作原理

初始状态只有GC Roots是黑色的。被GC Roots直接引用的对象会变成灰色

扫描过程中，按照以下两点扫描整个引用链

• 当前灰色节点没有子节点的话，将当前节点变为黑色。
• 当前灰色节点有子节点的话，当前节点变为黑色，且子节点变为灰色。

扫描完成时，黑色对象就是存活的对象，白色对象就是已消亡可回收的对象

扫描完成之后，垃圾收集器只需要回收仍然是白色的对象所占用的内存即可。乍一看上面的过程好像没有什么问题，但是不要忘了我们的收集线程是和用户线程并发执行的。

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。