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并发的可达性分析

前面在介绍对象是否已死那一节有说到可达性分析算法，它理论上是要求全过程都基于一个能保障一致性的快照（类比 MySQL 的MVCC）中才能够进行分析，也就意味着必须全程冻结用户线程的运行（STW）。

在根节点枚举这个步骤中，说到它是 STW 的。但 GC Roots 在整个Java堆中全部的对象毕竟还算是极少数，且在各种优化技巧（如OopMap）的加持下，它带来的停顿已经是非常短暂且相对固定（不随堆容量而增长）的了。可从GC Roots再继续往下遍历对象图，这一步骤的停顿时间就必定会与Java堆容量直接成正比例关系了（致命的）：也就是堆越大、存储的对象越多、对象图结构越复杂，那么要标记更多对象而产生的停顿时间就更长。

然而衡量一个垃圾收集器的好坏，停顿时间是一个非常重要的指标。如果你是追求极致性能的垃圾收集器的设计者，你肯定不甘于在可达性分析过程中停顿用户线程。所以，他们期望在这个过程中可以并发。那他们怎么解决这个问题呢？

想解决或者降低用户线程的停顿，就要先搞清楚为什么必须在一个能保障一致性的快照上才能进行对象图的遍历？

其实你也可以先想象一下，在并发可达性分析过程中不采取任何技术手段，会出现什么问题。比如在某一个GC roots 的对象图 已经标记完成了，此时用户线程再创建一个对象引用到前面已经编辑完成的对象图中，那么由于新插入的对象引用没有对标记到，那么再GC 时大概率就会被清除，这样的结果是致命的（类比下日常工作中的情况）。

可能我这样说有点通俗啊，我们也可以一起看下官方的叙述说明，他们是怎么解释这个问题的：

为了能解释清楚这个问题，他们引入三色标记作为工具来辅助推导，把遍历对象图过程中遇到的对象，按照“是否访问过”这个条件标记成以下三种颜色：

• 白色：表示对象尚未被垃圾收集器访问过。显然在可达性分析刚刚开始的阶段，所有的对象都是白色的，若在分析结束的阶段，仍然是白色的对象，即代表不可达。
• 黑色：表示对象已经被垃圾收集器访问过，且这个对象的所有引用都已经扫描过。黑色的对象代表已经扫描过，它是安全存活的，如果有其他对象引用指向了黑色对象，无须重新扫描一遍。黑色对象不可能直接（不经过灰色对象）指向某个白色对象。
• 灰色：表示对象已经被垃圾收集器访问过，但这个对象上至少存在一个引用还没有被扫描过。（去到图二解释下）

总结：收集器在对象图上标记颜色，同时用户线程在修改引用关系——即修改对象图的结构，这样可能出现两种后果

1. 一种是把原本消亡的对象错误标记为存活，这不是好事，但其实是可以容忍的，只不过产生了一点逃过本次收集的浮动垃圾而已，下次收集清理掉就好，问题不大。
2. 另一种是把原本存活的对象错误标记为已消亡，这就是非常致命的后果了，程序肯定会因此发生错误。

如何解决这个问题？

Wilson于1994年在理论上证明了，当且仅当以下两个条件同时满足时，会产生“对象消失”的问题，即原本应该是黑色的对象被误标为白色：

1. 并发中插入了一条或多条从黑色对象到白色对象的新引用；
2. 并发中删除了全部从灰色对象到该白色对象的直接或间接引用。

因此，我们要解决并发扫描时的对象消失问题，只需破坏这两个条件的任意一个即可（类似于避免死锁的思路）。由此分别产生了两种解决方案：增量更新（Incremental Update）和原始快照（Snapshot At The Beginning， SATB）。

增量更新（破坏的是第一个条件）：当黑色对象插入新的指向白色对象的引用关系时，就将这个新插入的引用记录下来，等并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的黑色对象为根，重新扫描一次。通俗的讲就是，黑色对象一旦新插入了指向白色对象的引用之后，它就变回灰色对象了。

**原始快照（破坏的是第二个条件）：**当灰色对象要删除指向白色对象的引用关系时，就将这个要删除的引用记录下来，在并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的灰色对象为根，重新扫描一次。通俗的讲就是，论引用关系删除与否，都会按照刚刚开始扫描那一刻的对象图快照来进行搜索。

以上无论是对引用关系记录的插入还是删除，虚拟机的记录操作都是通过写屏障实现的。在HotSpot虚拟机中，增量更新和原始快照这两种解决方案都有实际应用，譬如，CMS是基于增量更新来做并发标记的，G1、Shenandoah则是用原始快照来实现。