Java 三色标记算法：并发垃圾回收的核心技术解析

Java三色标记算法：并发垃圾回收的核心技术解析

在Java虚拟机（JVM）的垃圾回收机制中，如何高效标记存活对象并减少应用停顿，是核心优化方向之一。三色标记算法作为支持并发标记的关键技术，被CMS、G1等经典垃圾回收器广泛采用。本文将从原理、流程、核心问题及解决方案等方面，全面解析这一算法。

一、三色标记的核心定义

三色标记算法的核心思想是通过三种颜色标记对象的存活状态，以此区分对象是否需要被回收，同时为并发标记提供状态依据。三种颜色的具体定义如下：

白色：初始状态下所有对象均为白色，代表对象尚未被垃圾回收线程访问和标记。若标记流程结束后对象仍为白色，则表示该对象不可达，属于可回收的垃圾对象。
灰色：对象已被垃圾回收线程访问，但该对象引用的所有子对象尚未完成标记。灰色对象是标记流程的中间状态，垃圾回收线程需进一步遍历其引用关系。
黑色：对象及其引用的所有子对象均已完成标记，代表该对象是应用运行必需的存活对象。标记完成后，垃圾回收线程不会再对黑色对象及其引用进行二次扫描。

二、三色标记的完整工作流程

三色标记的流程围绕"初始标记-并发标记-重新标记-垃圾清理"四步展开，通过并发执行降低STW（Stop-The-World）时间，具体步骤如下：

初始标记：此阶段需触发短暂的STW。垃圾回收线程仅标记GC Roots直接可达的对象，例如静态变量、活动线程栈中的局部变量等。这些被标记的对象会从白色转为灰色，由于仅遍历根节点的直接关联对象，该阶段停顿时间极短。
并发标记：STW结束，应用线程与垃圾回收线程并行运行。垃圾回收线程从灰色对象队列中取出对象，遍历其所有引用的子对象，将子对象从白色转为灰色；待当前灰色对象的所有引用遍历完毕后，将其转为黑色。此阶段是标记的核心环节，大部分标记工作在此完成，且不影响应用正常运行。
重新标记：由于并发标记阶段应用线程可能修改对象引用关系（如新增、删除引用），会导致标记偏差。此阶段需再次触发短暂的STW，修正标记结果。此时仅需处理少量未完成标记的灰色对象和引用变更记录，因此停顿时间远短于传统全量标记。
垃圾清理：垃圾回收线程扫描内存空间，收集所有仍处于白色状态的对象，释放其占用的内存。CMS等回收器在此阶段也支持与应用线程并发执行，进一步减少停顿。

三、并发标记中的核心问题

并发标记的优势是减少停顿，但应用线程与垃圾回收线程的并行执行，会引发两个关键问题，其中漏标问题可能直接影响应用稳定性。

浮动垃圾：并发标记过程中，若已标记为黑色或灰色的对象因引用关系变更成为垃圾，由于黑色对象不会被重新扫描，这些对象无法被标记为白色。这类未被清理的垃圾被称为浮动垃圾。该问题对系统影响较小，可留到下一轮垃圾回收时处理。例如，一个灰色对象在标记过程中，其引用的子对象被应用线程断开关联，该子对象虽成为垃圾，但已脱离标记流程，最终成为浮动垃圾。
对象漏标 ：这是危及应用稳定性的严重问题。当两个条件同时满足时会触发漏标：一是应用线程新增一条从黑色对象到白色对象的引用；二是应用线程删除了所有从灰色对象到该白色对象的引用。例如，初始状态A（黑）、B（灰）、C（白），应用线程执行A.ref=C（新增黑到白的引用）和B.ref=null（删除灰到白的引用），此时C无法被垃圾回收线程标记，最终会被错误回收，导致应用出现异常。

四、漏标问题的解决方案

漏标问题的本质是并发过程中引用关系的动态变更，解决方案的核心是通过写屏障技术破坏漏标的两个触发条件。JVM中主流的实现方式有两种，分别应用于不同的垃圾回收器：

增量更新（Incremental Update）
该方案针对CMS回收器设计，核心是破坏"黑色对象新增对白色对象引用"这一条件。其通过写屏障监测引用赋值操作，当黑色对象指向白色对象时，将该黑色对象重新标记为灰色。这样后续重新标记阶段，垃圾回收线程会再次遍历该灰色对象及其引用，确保新增的白色对象被标记。
以下是其核心逻辑的代码示例：
java 复制代码
```
void writeBarrier(Object obj, Object field, Object newValue) {
    // 若黑色对象引用白色对象，触发屏障
    if (isBlack(obj) && isWhite(newValue)) {
        markGray(obj); // 黑色对象回退为灰色
    }
    obj.field = newValue; // 执行实际赋值操作
}
```
原始快照（SATB）
该方案被G1、Shenandoah等回收器采用，核心是破坏"删除所有灰色对象到白色对象引用"这一条件。其通过写屏障记录引用删除操作，当应用线程断开灰色对象对白色对象的引用时，将该白色对象记录到SATB队列中。后续标记过程中，垃圾回收线程会基于标记初始时的引用快照，对队列中的对象重新标记，确保其不会被误回收。
以下是其核心逻辑的代码示例：
java 复制代码
```
void writeBarrier(Object obj, Object field, Object oldValue) {
    // 记录被删除引用的白色对象
    if (oldValue != null && isWhite(oldValue)) {
        addToSATBQueue(oldValue); 
    }
    obj.field = newValue; // 执行实际赋值操作
}
```

五、三色标记的应用与局限性

1. 典型应用场景

三色标记是并发垃圾回收的基础，典型应用于两类回收器：一是CMS回收器，通过增量更新解决漏标问题，主打低延迟，适合互联网服务等对响应速度敏感的场景；二是G1回收器，采用SATB机制，兼顾延迟与吞吐量，适用于大堆内存场景。

2. 局限性

无法彻底消除浮动垃圾，需依赖下一轮GC清理；
CMS等基于标记-清除的回收器会产生内存碎片，极端情况下需触发Serial Old GC清理碎片，导致性能下降；
写屏障的引入会增加少量运行时开销，不过该开销远小于传统全量标记的STW成本。

六、总结

三色标记算法通过颜色状态划分和并发标记机制，大幅降低了垃圾回收的STW时间，是JVM并发垃圾回收的核心技术。其核心挑战在于并发场景下的对象漏标和浮动垃圾问题，而增量更新与SATB技术通过写屏障破坏漏标条件，有效保障了标记准确性。了解三色标记的原理，有助于开发者理解CMS、G1等回收器的工作机制，为JVM性能调优提供理论支撑。