三色标记算法通过白、灰、黑三色标识对象可达性，解决并发标记中因引用修改导致的漏标问题。采用增量更新（CMS）或原始快照（G1）策略，结合写屏障维护标记准确性，确保现代回收器（如G1、ZGC）高效管理内存并减少停顿。
一、三色标记算法的核心思想
三色标记是一种用于 追踪对象可达性 的算法，通过颜色标记对象状态，解决并发标记过程中因应用线程修改引用导致的漏标或错标问题。其核心是将对象分为三种颜色：
| 颜色 | 含义 |
|---|---|
| 白色 | 对象未被垃圾回收器访问过，可能不可达（最终会被回收）。 |
| 灰色 | 对象已被垃圾回收器访问，但其引用的子对象未被扫描（处于待处理状态）。 |
| 黑色 | 对象及其所有子对象均被扫描完成，确认存活，不会被回收。 |
二、三色标记流程
以 可达性分析 为例，三色标记的流程如下：
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初始标记（STW） ：
- 标记所有 GC Roots 直接引用 的对象为灰色，其余对象为白色。
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并发标记：
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从灰色对象出发，递归扫描其引用的子对象：
- 将当前灰色对象标记为黑色。
- 将其子对象标记为灰色（若原本是白色）。
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重复上述步骤，直到所有灰色对象变为黑色。
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最终标记（STW） ：
- 处理并发标记期间应用线程修改的引用关系，修正标记结果。
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清理阶段：
- 回收所有白色对象。
三、并发标记的挑战
在 并发标记阶段，应用线程可能修改对象引用关系，导致以下问题：
1. 漏标（对象被错误回收）
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场景：黑色对象 A 断开对白色对象 B 的引用，同时灰色对象 C 引用白色对象 B。
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结果：B 被误判为不可达（白色），导致存活对象被回收。
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条件：需同时满足以下两点（称为 “对象消失” 的必要条件）：
- 赋值器插入了一条或多条从黑色对象到白色对象的新引用。
- 赋值器删除了全部从灰色对象到该白色对象的直接或间接引用。
2. 错标（对象被错误保留）
- 场景：黑色对象 A 引用白色对象 B，但 B 实际不可达。
- 结果：B 被误判为可达（保留），导致内存泄漏（较少见）。
四、解决方案：增量更新与原始快照
JVM 通过 写屏障（Write Barrier） 技术拦截对象引用变更，结合两种策略解决并发标记问题：
1. 增量更新（Incremental Update）
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核心思想：若黑色对象新增对白色对象的引用，将黑色对象降级为灰色，重新扫描。
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实现：
- 写屏障记录所有新增的引用关系（如
A→B）。 - 在最终标记阶段，重新扫描这些黑色对象。
- 写屏障记录所有新增的引用关系（如
-
代表应用：CMS 回收器的并发标记阶段。
2. 原始快照（Snapshot At The Beginning, SATB）
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核心思想：基于标记开始时的对象图快照，认为所有当时存活的对象最终都会被标记。
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实现：
- 写屏障记录所有被删除的引用关系（如
C→B被删除）。 - 在最终标记阶段，将这些被删除引用的对象重新标记为灰色，确保其存活。
- 写屏障记录所有被删除的引用关系（如
-
代表应用：G1、Shenandoah 回收器。
五、写屏障（Write Barrier）的实现
写屏障是 内存访问的钩子函数，在对象引用被修改时触发，记录变更信息。
示例代码
// 假设当前有黑色对象 parent 和白色对象 child
parent.field = child; // 触发写屏障
1. 增量更新的写屏障伪代码
void write_barrier(Obj* parent, Obj* child) {
if (is_black(parent) && is_white(child)) {
mark_gray(parent); // 将 parent 标记为灰色
}
*field = child; // 实际赋值操作
}
2. 原始快照的写屏障伪代码
void write_barrier(Obj* old_child) {
if (old_child != NULL && is_white(old_child)) {
mark_gray(old_child); // 记录被删除的旧引用对象
}
*field = new_child; // 实际赋值操作
}
六、三色标记与垃圾回收器的应用
1. CMS（Concurrent Mark-Sweep）
- 使用 增量更新 解决漏标问题。
- 缺点：并发标记期间可能产生浮动垃圾（错标）。
2. G1（Garbage-First）
- 使用 SATB 确保标记准确性。
- 优点：减少漏标，适合大堆内存。
3. ZGC/Shenandoah
- 结合 染色指针 和读屏障，实现全堆并发标记。
七、总结
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三色标记的核心：
- 通过颜色状态跟踪对象可达性，支持并发标记。
- 白色（未访问）、灰色（待处理）、黑色（已处理）。
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并发标记的问题：
- 漏标（存活对象被回收）和错标（垃圾对象被保留）。
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解决方案：
- 增量更新：关注引用新增，黑色对象降级为灰色。
- 原始快照（SATB） ：关注引用删除，保留旧引用对象。
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实际应用：
- CMS、G1、ZGC 等回收器通过写屏障实现不同策略，平衡吞吐量和延迟。
理解三色标记算法是掌握现代垃圾回收器（如 G1、ZGC）并发标记机制的基础，有助于优化 JVM 参数和排查 GC 问题。
