垃圾回收的时候怎么解决错标和漏标问题

1. CMS 垃圾回收器解决漏标和错标的方法

CMS（Concurrent Mark-Sweep）是一种并发标记的垃圾回收器。它使用 三色标记法 来区分对象状态，并通过增量更新（Incremental Update）和重新标记（Remark）阶段解决并发标记带来的漏标和错标问题。

三色标记算法概述

三色标记法将对象划分为三种颜色，以跟踪其状态：

• 白色：未访问的对象，可能是垃圾。
• 灰色：已访问，但它的引用对象还未全部扫描。
• 黑色：已访问且其引用对象也已全部扫描。

在标记阶段，CMS 会将所有对象从白色变为灰色，最终变为黑色，这样可以保证所有存活对象被标记为黑色。漏标和错标问题在并发标记时出现的原因如下：

• 漏标：应用线程在标记阶段新创建的对象引用关系可能被漏掉，导致对象被错误地标记为垃圾。
• 错标：应用线程在标记阶段将白色对象的引用添加到黑色对象中，这样可能导致白色对象未被标记而被当作垃圾。

CMS 解决错标问题：增量更新（Incremental Update）

增量更新用于防止错标，具体如下：

• 在标记阶段，若应用线程将一个白色对象的引用添加到一个黑色对象中，CMS 会将该白色对象重新标记为灰色，确保它被标记。
• 通过这样的方法，CMS 可以防止引用从黑色对象指向白色对象而导致的错标。

举例说明：

假设有对象 A 和 B，其中 A 已被标记为黑色，B 尚未标记（为白色）：

1. 应用线程在并发标记阶段为 A 添加了对 B 的引用。
2. 按照三色标记算法，B 仍为白色，但增量更新会监控这一新增的引用关系，将 B 改为灰色。
3. 这保证了 B 会在后续标记中被扫描并标记，避免 B 被误认为垃圾。

CMS 解决漏标问题：重新标记（Remark）阶段

重新标记（Remark）阶段是一次短暂停顿（STW）操作，用于确保并发标记期间产生的新对象引用关系被扫描，避免漏标。

• 在重新标记阶段，垃圾回收线程会暂停应用线程，将并发标记期间产生的新引用对象进行补充标记。
• 通过这个阶段，CMS 确保不会漏标任何在标记阶段新增的存活对象。

举例说明：

假设并发标记开始时，堆中的对象关系如下：

• A -> B -> C

在并发标记阶段中：

1. 应用线程在 A 上新增了指向 D 的引用。
2. 在重新标记阶段，D 将被检查并标记为灰色，随后扫描 D 的所有引用。
3. 这样，D 及其引用的所有对象都被正确标记，避免漏标。

2. G1 垃圾回收器解决漏标和错标的方法

G1 采用一种称为 原始快照（Snapshot-At-The-Beginning, SATB） 的技术来解决漏标和错标问题。G1 使用原始快照来追踪在标记阶段开始时所有存活对象的引用关系，确保它们被标记为存活。

三色标记算法在 G1 中的应用

在 G1 中也使用三色标记法，通过原始快照的记录，可以确保对象不会被漏标或错标。

• 错标问题：G1 使用 原始快照（SATB） 来避免错标。在并发标记阶段，任何对象在标记开始时是存活的（即在原始快照中），就会被标记为灰色，即便引用关系在标记阶段发生变化。
• 漏标问题：G1 使用 最终标记（Final Remark） 阶段来扫描并标记在并发标记期间新创建或修改的对象引用。

G1 解决错标问题：原始快照（SATB）

在原始快照（SATB）机制下，G1 会在标记开始时记录所有可达对象（即存活对象），形成一个“快照”。在标记过程中，即使引用关系发生变化，G1 会继续标记在快照中记录的所有对象，确保原始可达对象不被误判为垃圾。

举例说明：

假设在标记阶段开始时有对象关系：

• A -> B -> C

1. 在标记开始时，A、B、C 都被记录为可达对象。
2. 如果在标记过程中，应用线程将 A 的引用移除，导致 A 无法通过新引用关系访问到 B、C。
3. 由于 SATB 记录了原始快照，G1 会继续扫描 B 和 C，确保它们被标记为存活，避免错标。

G1 解决漏标问题：最终标记（Final Remark）

G1 使用 最终标记阶段（Final Remark） 来解决漏标问题。在并发标记期间，新创建的对象或引用关系会被 G1 记录并在最终标记阶段扫描，确保没有对象被漏标。

举例说明：

假设在并发标记过程中，新的对象引用关系如下：

• D 被新增，且 A -> D

1. 在最终标记阶段（STW 短暂停顿），G1 会扫描 D，将其标记为灰色，随后扫描 D 的引用。
2. 这样，G1 可以确保在并发标记期间产生的新对象不会被漏掉。

总结

CMS 的方法

• 错标：通过 增量更新 方法，在标记阶段动态跟踪对象间的新引用关系，确保白色对象重新变为灰色，避免错标。
• 漏标：通过 重新标记（Remark） 阶段，扫描并标记标记阶段新增的引用对象，防止漏标。

G1 的方法

• 错标：通过 原始快照（SATB） 方法，记录标记开始时的所有可达对象，确保引用关系变化后，这些对象仍被视为存活，避免错标。
• 漏标：通过 最终标记（Final Remark） 阶段，标记并发标记阶段新增的对象引用关系，确保所有存活对象都被扫描。

CMS 和 G1 的 漏标 和 错标 处理方式各有优缺点，具体如下：

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CMS 的方式：增量更新（Incremental Update）+ 重新标记（Remark）

优点：

1. 低复杂度：

   • 增量更新机制简单直接，只需要监控应用线程的新增引用，并重新标记目标对象为灰色即可。
   • 重新标记阶段虽然需要短暂 STW，但算法简单可靠。

2. 实时性较好：

   • 增量更新在并发标记阶段执行，与应用线程协同工作，减少对应用线程的干扰。

3. 成熟稳定：

   • 增量更新和重新标记已经被广泛应用于多种垃圾回收器，算法逻辑清晰、实现成熟。

缺点：

1. 高开销：

   • 增量更新需要实时跟踪应用线程的修改操作，会增加写屏障的开销。
   • 如果应用线程频繁更新引用关系，会导致增量更新操作频繁，从而降低效率。

2. 重新标记需要 STW：

   • 重新标记阶段虽然耗时较短，但仍然会暂停所有应用线程，对实时性有一定影响。

3. 对内存占用不敏感：

   • CMS 更加关注回收时间，但对内存利用率不敏感。在高内存压力场景下，容易导致老年代内存不足。

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G1 的方式：原始快照（SATB）+ 最终标记（Final Remark）

优点：

1. 准确性高：

   • SATB 通过在标记阶段开始时记录“原始快照”，确保所有存活对象不会因为引用变化而被误标为垃圾，从根本上避免错标问题。

2. 并发性能好：

   • SATB 在并发标记阶段完成大部分标记工作，最终标记阶段只是对少量新增引用对象进行补充扫描，减少了 STW 时间。

3. 适应复杂场景：

   • SATB 的“快照”机制可以适应高并发和复杂对象引用变化的场景，尤其是在大内存、多核环境下表现更优。

4. 整合年轻代和老年代：

   • G1 能统一处理年轻代和老年代的内存分配和回收，提升了内存利用率。

缺点：

1. 较高的实现复杂度：

   • SATB 需要维护原始快照，写屏障逻辑复杂，增加了实现和调试难度。
   • 实现 SATB 需要额外的内存空间来存储快照数据。

2. 写屏障开销：

   • SATB 需要在每次对象引用变更时记录引用关系，会增加写屏障的时间开销，尤其是高频引用更新的场景可能导致性能下降。

3. 对 STW 敏感：

   • 最终标记阶段（Final Remark）仍需要短暂停顿（STW），如果堆内存巨大或应用线程繁忙，STW 时间可能会变长。

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优缺点对比总结

特性	CMS	G1
漏标处理	重新标记（Remark），简单但需短暂 STW	最终标记（Final Remark），精准且 STW 时间短
错标处理	增量更新（Incremental Update），低开销	原始快照（SATB），避免复杂引用错标
实时性	增量更新实时性较好，但重新标记需暂停	并发性能较好，适合大内存场景
复杂度	算法简单，成熟稳定	实现复杂，需维护原始快照
写屏障开销	相对较低，依赖引用关系更新频率	较高，尤其在高频引用变更时
内存适应性	对老年代内存利用率敏感，可能出现内存不足	整合年轻代和老年代，提升内存利用率

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适用场景对比

• CMS 适用场景：

  • 实时性要求较高，但对象引用更新频率较低的场景。
  • 中小型堆内存场景（如 ≤ 4GB）。

• G1 适用场景：

  • 大内存（如 ≥ 4GB）、多核 CPU 环境下。
  • 对延迟敏感的场景，尤其是需要控制 STW 时间的业务。