Java 中的 CMS 和 G1 垃圾收集器如何维持并发的正确性？

Java 中的 CMS 和 G1 垃圾收集器如何维持并发的正确性？

CMS（Concurrent Mark-Sweep）和 G1（Garbage-First）垃圾收集器是两种低延迟的垃圾回收器，它们通过并发阶段与应用线程（Mutator）同时运行，以减少暂停时间。为了维持并发垃圾回收的正确性，二者采取了不同的技术和策略。

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1. CMS 垃圾收集器的并发正确性维护

1.1 基本工作原理

CMS 使用“标记-清除”算法，主要阶段包括：

1. 初始标记（STW）：标记 GC Roots。
2. 并发标记：从 GC Roots 开始，遍历对象图，标记所有可达对象。
3. 重新标记（STW）：处理并发标记过程中新产生的引用变化。
4. 并发清理：清理未标记的垃圾对象。

1.2 并发正确性维护方法

• 写屏障（Write Barrier）：

  • 在 Mutator 修改引用关系时，记录修改到一个“卡表”（Card Table）或“脏卡”列表。
  • 确保并发标记阶段的新引用可以被重新标记阶段捕获。

• 增量更新（Incremental Update）：

  • Mutator 在标记阶段修改了指向未标记对象的引用，CMS 会将新创建的引用加入到待标记队列。

• Stop-The-World 重新标记：

  • 通过短暂停顿扫描卡表中的脏卡，捕获并发标记期间可能遗漏的引用变化，确保标记阶段的准确性。

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2. G1 垃圾收集器的并发正确性维护

2.1 基本工作原理

G1 使用“标记-整理”算法，将堆分为多个固定大小的分区（Region），垃圾回收按分区优先级进行。主要阶段包括：

1. 初始标记（STW）：标记 GC Roots。
2. 并发标记：从 GC Roots 遍历对象图，标记可达对象。
3. 最终标记（STW）：处理并发标记阶段的引用变化。
4. 清理与整理：回收垃圾对象，并压缩分区。

2.2 并发正确性维护方法

• SATB（Snapshot-At-The-Beginning）：

  • G1 使用 SATB 技术维持并发标记的正确性。
  • 在标记开始时，记录 Mutator 的对象状态快照，而不是跟踪所有引用的变化。
  • Mutator 如果删除了对象的引用，被删除的对象仍会被视为可达，从而保证并发标记阶段不遗漏。

• 写屏障（Write Barrier）：

  • 在对象的引用发生变化时，通过写屏障将旧引用添加到 SATB 的缓冲区中。
  • 确保即使 Mutator 修改了对象图，回收器仍能完整标记。

• 最终标记（Final Remark）：

  • 在并发标记结束后，通过短暂停顿处理 SATB 缓冲区中的变更记录，确保标记结果一致。

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3. CMS 和 G1 在并发正确性上的比较

特性	CMS	G1
算法	标记-清除	标记-整理
引用变化的处理	增量更新（Incremental Update）	快照集（SATB）
写屏障	修改引用时记录脏卡	修改引用时记录旧引用
额外的 STW 停顿	重新标记阶段	最终标记阶段
并发标记的正确性保障	卡表记录脏区域，重新扫描	SATB 缓冲区记录引用变化
实现复杂性	相对较低	较高

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4. 总结

• CMS通过增量更新和卡表记录引用变化，使用重新标记阶段来确保并发标记的正确性。它更简单，但会有内存碎片和“Concurrent Mode Failure”问题。
• G1通过 SATB 快照机制记录标记起点的状态，结合最终标记阶段的补充处理，确保并发标记的准确性。G1 的实现更复杂，但其分区化设计和整理过程能够有效减少内存碎片，适合大堆和低延迟场景。