STW是什么？------深入理解JVM垃圾回收中的"Stop-The-World"
在Java程序运行过程中，JVM会通过垃圾回收（GC）自动管理内存，释放不再使用的对象以腾出空间。但你是否遇到过程序突然卡顿的情况？这可能与GC过程中的Stop-The-World（STW，全局停顿）有关。本文将围绕"GC何时STW"展开，重点解析CMS与G1回收器的STW机制，并结合三色标记法说明其必要性。
一、STW的本质与核心作用
Stop-The-World（STW） 是JVM在垃圾回收过程中，为保证内存回收的正确性 和一致性，临时暂停所有应用线程（User Thread）执行的现象。简单来说，就是"世界停止了"，只有GC线程在工作。
为什么需要STW？
垃圾回收的核心是准确区分存活对象与可回收对象。若应用线程在GC过程中继续运行，可能导致：
- 对象状态变更：应用线程可能修改对象的引用关系（如创建新对象、销毁旧对象、修改指针指向），导致GC标记结果失效；
- 数据不一致：若GC线程与应用线程同时操作同一块内存，可能引发竞态条件（Race Condition），破坏内存管理的准确性。
因此，STW是GC保证自身逻辑正确的"保护机制"，但过长或频繁的STW会显著降低程序性能（尤其是对延迟敏感的应用）。
二、三色标记法：GC标记对象的"通用语言"
无论是CMS还是G1，GC标记阶段均基于三色标记法（Tri-Color Marking）实现。这是一种通过颜色标记对象存活状态的并发标记算法，三种颜色含义如下：
| 颜色 | 含义 |
|---|---|
| 白色 | 未被GC线程访问过的对象，默认视为"可回收垃圾"（未被标记）。 |
| 灰色 | 已被GC线程访问过，但其引用的其他对象尚未处理（待遍历的"边界"对象）。 |
| 黑色 | 已被GC线程完整处理（自身标记为存活，且所有引用对象也已处理），确认"存活"。 |
标记过程的关键：
GC线程从GC Roots（如栈帧局部变量、静态变量、JNI引用等）出发，将直接关联的对象标记为灰色（初始阶段）；随后递归处理灰色对象的引用，将其目标对象标记为灰色，自身升级为黑色（并发阶段）。最终未被标记为黑色的白色对象将被回收。
但三色标记法存在一个天然缺陷：若应用线程在标记过程中修改了对象的引用关系（如删除灰色对象到白色对象的引用），可能导致白色对象被错误回收（漏标）。因此，GC需要通过STW阶段修正这些变动。
三、CMS回收器的STW阶段解析
CMS（Concurrent Mark-Sweep，并发标记-清除）是早期的并发GC算法，目标是减少STW时间 ，适用于对延迟敏感的场景。其核心流程包含4个阶段，其中初始标记 和重新标记需要STW，其余阶段与应用线程并发执行。
1. 初始标记（Initial Mark，STW）
- 目标：快速标记GC Roots直接关联的对象（即从GC Roots出发的第一层可达对象）。
- STW原因：需暂停所有应用线程，确保标记的准确性（避免应用线程在此时修改GC Roots的引用关系）。
- 耗时：非常短暂（通常仅毫秒级），因为仅标记直接关联对象。
2. 并发标记（Concurrent Mark，并发）
- 目标：从初始标记的灰色对象出发，递归遍历所有可达对象，将其标记为黑色（存活）。
- STW状态：与应用线程并发执行（不暂停）。
- 风险：若应用线程在并发标记期间修改了对象的引用关系（如删除灰色对象到白色对象的引用），可能导致部分存活对象被漏标为白色。
3. 重新标记（Remark，STW）
- 目标：修正并发标记阶段因应用线程运行导致的标记变动（如漏标、错标）。
- STW原因：需暂停应用线程，确保所有标记变动被正确处理（例如，通过"增量更新"算法记录并发期间的引用变更，重新扫描这些变更的对象）。
- 耗时：比初始标记长，但远短于完全串行的标记过程（通常为初始标记的数倍）。
4. 并发清除（Concurrent Sweep，并发）
- 目标：回收未被标记的白色对象（垃圾），释放内存空间。
- STW状态：与应用线程并发执行（不暂停）。
- 特点：CMS采用"标记-清除"算法，因此不会移动存活对象，可能导致内存碎片（长期运行后可能引发Full GC）。
CMS的STW总结：
CMS通过并发标记和清除大幅减少了STW时间，但初始标记和重新标记仍需短暂停顿。其STW总耗时通常在10ms~100ms级别（取决于堆大小和对象复杂度）。
四、G1回收器的STW阶段解析
G1（Garbage-First）是JDK9及以后默认的GC算法，设计目标是平衡吞吐量与延迟（支持设置最大停顿时间）。与CMS不同，G1将堆划分为多个独立的Region（默认2MB~32MB），并通过"标记-整理"思想优化内存布局。其核心流程同样包含4个阶段，但STW的触发逻辑与CMS有显著差异。
1. 初始标记（Initial Mark，STW）
- 目标：标记GC Roots直接关联的对象，并记录每个Region中"已存活对象"的数量（用于后续回收价值排序）。
- STW状态：与应用线程并发执行（仅标记GC Roots直接关联的对象，耗时极短）。
- 特点：G1的初始标记通常与Minor GC（年轻代GC）合并执行，进一步减少STW时间。
2. 并发标记（Concurrent Mark，并发）
- 目标：递归标记所有可达对象，统计每个Region的存活对象比例。
- STW状态：与应用线程并发执行（不暂停）。
- 优化：G1通过"SATB（Snapshot-At-The-Beginning）"算法记录初始标记时的对象快照，即使后续应用线程修改引用关系，也能通过对比快照修正标记（减少漏标）。
3. 最终标记（Final Mark，STW）
- 目标：处理并发标记阶段SATB快照中未被处理的变动（如新增的白色对象），确保标记结果最终准确。
- STW状态：与应用线程短暂并发（仅扫描SATB队列中的变更，耗时通常在1ms~5ms）。
4. 筛选回收（Live Data Counting and Evacuation，STW）
- 目标：根据各Region的存活对象比例和回收价值（存活对象越少、Region越小，回收价值越高），选择部分Region进行回收，并将存活对象移动到其他Region（整理内存）。
- STW原因：需暂停应用线程，确保存活对象移动过程的原子性（避免应用线程访问正在移动的对象）。
- 耗时：取决于需要回收的Region数量（若仅回收少量Region，STW可控制在10ms以内）。
G1的STW总结：
G1的STW主要集中在初始标记、最终标记和筛选回收阶段，但通过并发标记和SATB算法大幅缩短了单次STW的时间。由于G1支持"增量回收"（每次只回收部分Region），其平均STW时间可控制在用户设定的阈值内（如不超过200ms）。
五、CMS与G1的STW对比
| 维度 | CMS | G1 |
|---|---|---|
| STW阶段 | 初始标记、重新标记 | 初始标记、最终标记、筛选回收 |
| 单次STW时长 | 较长（重新标记可能达百毫秒级） | 更短（筛选回收可通过Region选择优化） |
| 内存碎片 | 标记-清除算法导致碎片积累 | 标记-整理算法避免碎片 |
| 适用场景 | 老年代小堆（<8GB），对延迟敏感 | 大堆（>8GB），需平衡吞吐量与延迟 |
总结
STW是GC保证正确性的必要代价，但通过优化标记算法（如三色标记+SATB）和并发设计（如CMS的并发标记、G1的Region划分），现代GC已将STW时间控制在可接受范围内。理解不同回收器的STW阶段，有助于我们在实际开发中根据业务需求（如延迟敏感型或吞吐量优先型）选择合适的GC算法，并通过JVM参数调优（如-XX:+UseConcMarkSweepGC或-XX:+UseG1GC）进一步降低停顿时间。