Java 中的 CMS 和 G1 垃圾收集器如何维持并发收集的正确性？

本文由 AI 生成，内容仅供参考，请仔细甄别。
在 Java 中，CMS 和 G1 垃圾收集器都支持“并发收集”以减少 Stop-The-World（STW）暂停时间。它们在并发标记和处理过程中，通过 写屏障（Write Barrier）机制 和 引用变更记录策略 来保证 GC 与应用线程并发运行时的正确性。

下面从两者的原理角度详细分析其并发正确性保证机制：

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一、CMS 如何维持并发正确性

🔹 CMS 主要并发阶段：并发标记阶段

• CMS 在“老年代”使用 标记-清除算法；
• 应用线程在并发标记过程中会继续修改对象引用；
• 为了不漏标活对象，CMS 使用了 增量更新（Incremental Update）策略。

✅ 增量更新（Incremental Update）的含义：

当应用线程在 GC 并发标记期间 创建新的引用（A → B），GC 可能尚未扫描到 A；
因此，必须记录这类“新引用”并补充标记目标对象 B。

📌 写屏障实现逻辑：

// 当 A.f = B 时（建立新引用）
if (GC正在并发标记 && B未被标记) {
    把 B 加入 GC 的标记队列
}

✅ 小结：

• CMS 捕捉 新建立的引用；
• 使用写屏障记录这些变更，防止 漏标对象；
• 这样就能在并发标记过程中保持可达性分析的完整性。

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二、G1 如何维持并发正确性

🔹 G1 的并发标记机制也依赖写屏障，但策略不同 —— 使用 SATB（Snapshot-At-The-Beginning）。

G1 在并发标记开始时“拍下快照”；
不管之后引用怎么变，都基于那一刻的引用图进行标记。

✅ SATB 的处理逻辑：

当某个引用被断开（A 不再指向 B），但在快照那一刻 A 是指向 B 的，那么 B 应该仍被认为是“活的”。

📌 写屏障记录旧值：

// 当 A.f = null（断开旧引用 B）时
if (GC正在并发标记 && B未被标记) {
    把 B 加入 SATB Buffer（辅助标记队列）
}

✅ 小结：

• G1 捕捉 断开引用的旧对象；
• 用写屏障记录快照时的状态；
• 避免因引用断开导致“误清活对象”。

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三、对比总结

特性	CMS（Incremental Update）	G1（SATB）
标记策略	捕捉“新增引用”	捕捉“断开引用前的对象”
写屏障作用	记录新指向的对象	记录断开的旧对象
风险防范	防止漏标新连接对象	防止误清已存在但引用断开的对象
视图一致性策略	最终引用图一致性	快照视图一致性
适用阶段	并发标记	并发标记
成本对比	有一定开销	相对较高但更准确

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四、整体保证正确性的核心机制

两种 GC 并发正确性的维持手段主要包括：

机制	说明
写屏障	拦截并记录引用变更行为
Remembered Set	记录跨代引用变化，确保分代 GC 的正确性
并发标记队列	存放引用变更对象，供 GC 补充标记
起始快照/增量策略	不同 GC 对引用视图一致性采用不同策略（SATB vs Incremental Update）

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五、举例说明

例子：对象 A → B，在并发标记期间：

操作	CMS 的做法	G1 的做法
应用线程新建引用 A → C	写屏障记录 C，标记 C	忽略
应用线程断开 A → B	忽略	写屏障记录 B，补标记 B

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六、总结一句话

CMS 和 G1 都使用写屏障机制维持并发标记时的可达性图正确性。CMS 采用增量更新策略，记录新建立的引用防止漏标；G1 采用 SATB 策略，记录引用断开前的旧对象，保证不误清。两者都通过对引用变更的监控，确保 GC 与应用线程并发执行时的安全与正确。

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