在深入探讨Java中的CMS（Concurrent Mark Sweep，并发标记清除）和G1（Garbage-First）垃圾收集器如何维持并发正确性之前，我们首先需要理解并发垃圾收集的基本原理及其面临的挑战。这两种收集器都是设计来最小化垃圾回收对应用性能的影响，通过并发执行大部分收集工作来实现。 ### 并发垃圾收集的基本原理 并发垃圾收集器通常工作于多线程环境中，与Java应用线程同时运行。它们通过精确控制对堆内存的访问来确保并发安全性。这包括读屏障（Read Barriers）和写屏障（Write Barriers）等技术，以追踪和更新对象引用，确保在收集过程中不会错误地删除还在使用的对象。 ### CMS垃圾收集器如何维持并发正确性 CMS收集器主要分为以下几个阶段来维持并发正确性： 1. **初始标记（Initial Mark）**：此阶段停止所有应用线程（Stop-The-World），仅标记GC Roots直接关联的对象。这是CMS中唯一需要完全暂停应用执行的阶段。 2. **并发标记（Concurrent Marking）**：此阶段与应用线程并发执行，遍历并标记所有从GC Roots可达的对象。 3. **重新标记（Remark）**：再次短暂停止所有应用线程，处理并发标记阶段因应用运行而产生的新对象引用。这是必要的，因为并发阶段应用线程可能修改了对象图。 4. **并发清除（Concurrent Sweeping）**：与应用线程并发执行，清理未被标记的对象。 CMS通过读屏障（如增量更新）和写屏障（如CMS的预清除记录）来确保在并发标记和清除阶段对象引用的正确性。读屏障用于在访问对象时检查其是否被标记，而写屏障则用于记录新产生的对象引用或对象间的引用关系变化，以便在重新标记阶段进行处理。 ### G1垃圾收集器如何维持并发正确性 G1收集器采用了一种更为复杂但更加灵活的策略，它不仅仅是维护并发正确性，还通过区域划分（Region-Based）和优先级排序（Prioritization）来优化性能。 1. **区域划分**：G1将堆划分为多个大小相等的区域（Region），可以是Eden区、Survivor区或老年代区。这种划分允许G1以更高的粒度进行垃圾收集。 2. **并发标记（Concurrent Marking）**：与CMS类似，G1也有并发标记阶段，但它引入了SATB（Snapshot-At-The-Beginning）算法来记录并发期间对象引用的快照，减少因并发修改而引入的复杂度。 3. **混合收集（Mixed Garbage Collection）**：G1不仅收集老年代，还会根据需要选择性地收集部分年轻代区域，这种混合收集模式有助于平衡停顿时间和吞吐量。 4. **写屏障和记忆集（Remembered Sets）**：G1使用写屏障来跟踪跨代引用，并维护记忆集来记录哪些老年代区域被年轻代区域引用。这有助于在回收老年代时快速定位并处理这些跨代引用。 ### 维持并发正确性的高级技术 - **三色标记法**：CMS和G1都隐式或显式地使用了三色标记法来追踪对象状态（白色-未访问，灰色-正在访问，黑色-已访问）。这种方法帮助它们在并发环境中准确标记所有可达对象。 - **增量更新（Incremental Update）**：CMS利用增量更新技术来确保在并发标记阶段对象引用的正确性，即当对象引用被修改时，立即更新相关记录。 - **SATB算法**：G1采用的SATB算法通过记录并发开始前对象引用的快照，简化了并发标记的复杂性，减少了因并发修改而引入的错误。 ### 总结 无论是CMS还是G1，它们都通过精细的并发控制和先进的算法设计来维持垃圾收集过程中的正确性。这些收集器不仅减少了垃圾回收对应用性能的影响，还通过优化策略提高了整体的吞吐量和停顿时间。对于高级程序员而言，理解这些收集器的内部机制对于调优Java应用的性能至关重要。在码小课网站上，我们可以进一步深入探索这些高级主题，通过实际案例和实验来加深理解。