JVM GC 并发机制与三色标记算法

TL;DR（30 秒扫完）

三色严格定义：白=初始未访问 / 灰=工作队列 / 黑=扫描完毕
不变式：黑不能指白（否则漏回收）；灰不能指黑（否则误回收）
两大并发问题：对象消失（漏回收，黑指白）+ 对象复活（误回收，白指黑）
两种修复：写屏障（修复黑指白，CMS/G1/ZGC 经典）+ 读屏障（修复白指黑，Shenandoah/ZGC 现代）
ZGC 用读屏障+多映射把 STW 压到 <1ms

关键结论

结论 A三色标记是可达性分析的并发实现，本质相同

结论 BGC 目标 = 遍历结束后没有白色对象指向存活对象（等价：没有白色对象）

结论 C写屏障修复黑指白，读屏障修复白指黑

结论 DZGC 从写屏障转向读屏障——避免每次赋值都触发，改用多映射实现"移动对象不改引用"

结论 EShenandoah 用写屏障+Brooks 转发（对象头存转发指针）做到 STW <10ms

完整讲解（费曼四步）

STEP 1 · 概念

三色标记算法是并发 GC 的核心。它给每个对象染三种颜色（白/灰/黑），表示 GC 访问进度。三色不变式（黑不指白、灰不指黑）保证并发下的正确性；违反不变式时用写屏障或读屏障修复。

STEP 2 · 大白话

类比：想象你在画地图。

- 白色：还没去过（可能是垃圾也可能是幸存者）

- 灰色：去过但没画完周围的路（还在扫描中）

- 黑色：去过且画完了周围所有路（确定存活）

扫描规则：从黑画到灰、从灰画到黑。结束时只剩白色的就是垃圾。

但并发时用户线程在偷改地图——你刚划掉的一条路（黑指白），用户又建了条新路（重新指白），你可能就漏标了幸存者。这就是内存安全问题。

STEP 3 · 底层

三色严格定义

颜色	定义	含义
白色	从未被 GC 访问过	可能是垃圾也可能是存活（初始状态）
灰色	已访问，但子节点未全扫描	工作队列，待扫描
黑色	已访问，所有引用都扫描完毕	确定存活

算法流程

1. 所有对象初始为白色
2. GC Roots 全部染黑
3. 取灰节点扫描子节点：白→灰入队；扫完→变黑
4. 工作队列为空时结束
5. 剩余白色对象 = 垃圾，回收

不变式（正确性条件）：

规则 1：黑不能指白（否则漏回收）
规则 2：灰不能指黑（否则可能误回收）

两大并发内存安全问题

问题 1：对象消失（漏回收 / 黑指白）

初始状态:    黑A → 白B
第1步:      扫描黑A，把白B变灰
第2步:      扫描黑A完成，A→B 断链（用户删链）
第3步:      用户创建黑C 引用白B
第4步:      B 仍是白色（从未被访问）
第5步:      遍历结束，B 被误回收 ❌

违反规则 1（黑不能指白）。 问题 2：对象复活（误回收 / 白指黑）

初始状态:    黑A → 白B
第1步:      用户创建白C 引用白B
第2步:      扫描A，A→B 断链
第3步:      遍历C，把B变灰→变黑
第4步:      用户删除 A→B 引用，创建黑A 引用白D（D 被删）
           B 仍存活但被错误地认为可回收 ❌

违反规则 2（灰不能指黑）。

两种修复方案

修复方案	屏障类型	规则	使用者
写屏障	Write Barrier	对象引用赋值时：新引用指向白 → 父对象重染灰	CMS、G1、ZGC 经典模式
读屏障	Read/Load Barrier	读指针时：检查有效性，无效则重新标记为黑	Shenandoah、ZGC 现代模式

ZGC 的现代方案

为什么 ZGC 从写屏障转向读屏障？

写屏障每次赋值都触发，影响吞吐
读屏障只在读取指针时检查，对代码侵入小

多映射（Multi-Mapping）原理：

同一虚拟地址映射到多个物理地址
移动对象时改映射而非改对象引用
配合读屏障检查指针有效性
效果：STW 只有 Initial Mark 和 Final Relocate 两个瞬间，都 <1ms

Shenandoah 的 Brooks 转发

对象头存转发指针
读屏障检查指针有效性时顺带完成对象移动
STW <10ms

与 GC 器对照

GC 器	三色标记	屏障	特殊机制
CMS	有	写屏障（Card Table）	早期经典方案
G1	有	写屏障（Remembered Set）	Region 结构
ZGC 经典	有	写屏障	—
ZGC 现代	有	读屏障	多映射
Shenandoah	有	写屏障	Brooks 转发

CMS 中的三色标记应用

Initial Mark（STW）：把 GC Roots 染黑
Concurrent Mark：三色并发扫描（灰→黑、白→灰）
Remark（STW）：靠写屏障追踪并发期间的引用变动

STEP 4 · 简化

一句话总结：三色 = 白（未访问）/ 灰（扫描中）/ 黑（扫完）；不变式 = 黑不指白 + 灰不指黑；违反时用写屏障或读屏障修复。

记忆口诀：

白色初始，灰色队列，黑色完成
黑不指白防漏回收，灰不指黑防误回收
写屏障管赋值，读屏障管读取
ZGC 现代：读屏障+多映射 → STW <1ms

常见误区

"初始颜色是黑色"

白色是初始状态，从未被 GC 访问

"标白后再回收"

白色对象本身就是垃圾（初始未被访问），不是"标白后再回收"

"灰色是不确定存活"

灰色是扫描中的中间态，不是"不确定"

"三色标记就是标记回收"

三色标记是可达性分析的并发实现，解决并发下的内存安全

"三色标记所有 GC 器都用"

SerialGC 不需要（不需要并发）

延伸追问

三色标记的"对象消失"具体怎么走通？

黑 X 引用白 Y → 扫描 X 完成断链 X→Y → 用户创建黑 Z 引用 Y → 若 Y 从未被访问保持白 → 被误回收

写屏障具体怎么处理？

写屏障在对象引用赋值时插入：如果新引用指向白对象，把父对象重染灰；HotSpot 中通过 Card Table 实现

为什么 ZGC 从写屏障转向读屏障？

写屏障频繁触发（每次赋值）影响吞吐；读屏障只在读取指针时检查，对代码侵入小；配合多映射实现"移动对象不改引用"

Shenandoah 的 Brooks 转发是什么？

对象头存转发指针，读屏障检查有效性时顺带完成对象移动；STW <10ms

三色标记和可达性分析的关系？

三色标记是可达性分析的并发实现；本质都是从 GC Roots 遍历，区别在是否并发、如何处理引用变动

速查表

三色定义: 白=初始未访问 / 灰=工作队列 / 黑=扫描完毕
不变式: 黑不指白（防漏回收）+ 灰不指黑（防误回收）
并发问题: 对象消失（漏回收）+ 对象复活（误回收）
写屏障: 修复黑指白（CMS / G1 / ZGC 经典）
读屏障: 修复白指黑（Shenandoah / ZGC 现代）
ZGC 现代: 读屏障 + 多映射 → STW <1ms
Shenandoah: 写屏障 + Brooks 转发 → STW <10ms

Anki 候选卡片

Q: 三色严格定义？

A: 白=初始未访问 / 灰=工作队列 / 黑=扫描完毕

Q: 三色不变式两条？

A: 黑不能指白 + 灰不能指黑

Q: 写屏障修复什么问题？

A: 修复"黑指白"（对象消失/漏回收）

Q: 读屏障修复什么问题？

A: 修复"白指黑"（对象复活/误回收）

Q: ZGC 现代版用什么屏障？

A: 读屏障 + 多映射，STW <1ms

关联题目

⚠️ 《什么是三色标记算法？》— Round 1 Q8, ⭐（三色定义反了，未提内存安全）

关联知识

三色标记不变式：黑不指白（漏回收）、灰不指黑（误回收）；写屏障修黑指白、读屏障修白指黑

画地图：白=未去过、灰=去过没画完、黑=画完了；结束时只剩白色的就是垃圾

✦ 记忆口诀 ✦

白灰黑三色；黑不指白灰不指黑；写屏障修黑指白，读屏障修白指黑

关键可视化

三色严格定义

flowchart TB
  C["三色标记"] --> W["白色<br/>从未被 GC 访问<br/>可能是垃圾或存活"]
  C --> G["灰色<br/>已访问但子节点未全扫描<br/>工作队列待扫描"]
  C --> B["黑色<br/>已访问所有引用扫描完毕<br/>确定存活"]
  B -.遍历.-> G
  G -.扫描.-> W

两条不变式

flowchart LR
  I["三色不变式"] --> R1["规则 1：黑不能指白<br/>否则漏回收"]
  I --> R2["规则 2：灰不能指黑<br/>否则误回收"]
  R1 -.违反时.-> F1["写屏障修复<br/>CMS/G1/ZGC 经典"]
  R2 -.违反时.-> F2["读屏障修复<br/>Shenandoah/ZGC 现代"]

对象消失（黑指白）修复

flowchart LR
  S1["初始：黑A→白B"] --> S2["扫描黑A，白B→灰"]
  S2 --> S3["扫描黑A完成，A→B 断链"]
  S3 --> S4["用户创建黑C→白B"]
  S4 --> S5["B 仍白（从未被访问）"]
  S5 --> S6["遍历结束，B 被误回收 ❌"]
  S3 -.写屏障.-> W["A→B 断链时<br/>把 A 染灰<br/>触发重新扫描"]

ZGC 读屏障+多映射

flowchart LR
  Z["ZGC 现代方案"] --> RB["读屏障<br/>修复白指黑"]
  Z --> M["多映射<br/>移动对象不改引用"]
  RB --> P["避免每次赋值都触发<br/>改用读取时修复"]
  M --> P2["对象移动后<br/>旧地址自动转发到新地址"]
  P --> S["STW < 1ms"]
  P2 --> S

知识关系

⬆️ 前置（Prerequisite）

jvm-gc-algorithms

🔄 延伸（Extends）

jvm-gc-select-tune

⚡ 对比（Contrast）

GC 算法— GC 算法讲'怎么做'（标记-清除/复制/整理）；三色标记讲'怎么并发做'——是 GC 算法的并发实现

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