大厂面经 | 百度二面：GC 三色标记法解析

大家好，我是老周，今天给大家分享一道关于 GC 三色标记法的面试题，这是百度二面中出现的题目。接下来，我们就从概念、流程、相关机制等方面，详细梳理 GC 三色标记法的知识。

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GC 三色标记法解析：

一、什么是 GC 三色标记法

GC 三色标记法是一种垃圾回收算法，核心作用是追踪和标记活跃对象，进而确定哪些对象可以被回收。简单来说，它通过给对象标记不同颜色，区分对象的活跃状态，最终只回收不活跃的对象。

（一）三色的含义

三色标记法中的三种颜色分别是白色、灰色和黑色，每种颜色对应对象的不同状态，具体如下：

（二）三色标记法的核心流程

三色标记法的执行过程主要分为以下几个步骤，我们结合对象示例来理解：

初始状态：所有对象标记为白色一开始，堆中的所有对象（比如文档中提到的 “饭”“粥” 这类抽象对象，或具体的对象 1、2、3……）都会被标记为白色，并放入白色集合中，此时灰色集合和黑色集合为空。
标记根可达对象：根节点直接引用对象入灰色集合首先遍历 Root 集合（根节点，比如虚拟机栈中的引用、静态变量引用等），找到从根节点直接可达的对象（假设是对象 1 和对象 6）。将这些对象的颜色从白色改为灰色，并从白色集合中移除，放入灰色集合。
遍历灰色对象：子对象入灰，自身入黑对灰色集合中的对象（此时是对象 1 和对象 6）进行遍历：

找到它们直接引用的子对象（假设是对象 2、4、7），将这些子对象从白色改为灰色，放入灰色集合；
待当前灰色对象（对象 1 和对象 6）的所有子对象都处理完毕后，将它们自身的颜色从灰色改为黑色，放入黑色集合。这意味着对象 1 和对象 6 已完全标记，是确定的活跃对象。

重复遍历灰色集合：直至灰色集合为空不断重复步骤 3：每次从灰色集合中取出一个对象，处理它的子对象（子对象变白为灰入灰色集合），处理完后自身变灰为黑入黑色集合。直到灰色集合中没有任何对象为止。
回收白色对象：清理不活跃对象此时，白色集合中剩余的对象（比如对象 5 和对象 8），是从根节点无法到达的不活跃对象，最终会被垃圾回收器清理；而黑色集合中的对象都是活跃对象，会被保留。

二、关键机制：强弱三色不变式与写屏障

在并发 GC 场景中（GC 线程和应用线程同时运行），对象的引用关系可能会动态变化，容易出现 “漏标” 问题（即活跃对象被误判为不活跃对象，导致被回收）。为解决这个问题，引入了 “强弱三色不变式” 和 “写屏障” 机制。

（一）强弱三色不变式：避免漏标的规则

强弱三色不变式是两种约束规则，目的是防止 “黑色对象引用白色对象” 的情况导致漏标，具体定义和作用如下：

强三色不变式

定义：不存在黑色对象引用白色对象。
作用：从根本上杜绝漏标可能。因为黑色对象已完全标记，若它引用白色对象，白色对象无法被 GC 线程遍历到（GC 线程只处理灰色对象），最终会被误回收。强三色不变式通过禁止这种引用关系，确保所有活跃对象都能被标记。

弱三色不变式

定义：若黑色对象引用白色对象，该白色对象必须有灰色的上游对象（即存在一条从灰色对象到该白色对象的引用路径）。
作用：相比强三色不变式更灵活。当黑色对象引用白色对象时，只要白色对象有灰色上游，GC 线程后续遍历灰色对象时，仍能找到这个白色对象，将其标记为活跃对象，避免漏标。比如：黑色对象 7 引用白色对象 8，但灰色对象 6 也引用对象 8，那么 GC 线程遍历灰色对象 6 时，会将对象 8 标记为灰色，后续继续处理，避免漏标。

（二）写屏障：维护不变式的 “特殊逻辑”

写屏障不是 “阻止操作” 的屏障，而是一段特殊的程序逻辑：当应用线程对对象的引用指针进行写操作（新增、删除、修改引用）时，会触发这段逻辑，确保对象引用关系变化后，仍满足强弱三色不变式，从而避免漏标。

根据处理的写操作类型，写屏障主要分为 “插入写屏障” 和 “删除写屏障” 两类：

插入写屏障：处理 “新增引用” 场景

触发时机：当黑色对象新增对白色对象的引用时（比如黑色对象 7 突然引用白色对象 8）。
逻辑操作：将被引用的白色对象（对象 8）从白色集合中取出，标记为灰色并放入灰色集合。
作用：让新增引用的白色对象能被 GC 线程后续遍历，避免漏标。比如对象 7（黑色）引用对象 8（白色）时，触发插入写屏障，对象 8 变灰入灰色集合，后续 GC 处理灰色集合时会遍历对象 8，确保其被正确标记为活跃对象。

删除写屏障：处理 “删除引用” 场景

触发时机：当灰色对象删除对白色对象的引用时（比如灰色对象 7 原本引用白色对象 8，现在删除该引用）。
逻辑操作：将被删除引用的白色对象（对象 8）标记为灰色，放入灰色集合。
作用：防止因引用删除导致白色对象 “断连” 漏标。比如对象 7（灰色）删除对对象 8（白色）的引用后，若没有其他引用路径，对象 8 可能被误判为不活跃；触发删除写屏障后，对象 8 变灰入灰色集合，GC 线程会进一步检查它是否有其他引用，避免漏标。

（三）特殊场景：栈区对象的处理

栈区（虚拟机栈）的对象有两个特点：数量多、访问频率高。如果对栈区对象也使用写屏障，会给应用性能带来极大负担，因此栈区对象不使用写屏障。为避免栈区对象漏标，采用以下特殊处理方式：

GC 标记开始时：栈区所有可达对象标黑在 GC 标记阶段启动时，直接将栈区中所有从根节点可达的对象标记为黑色，放入黑色集合。这些对象被默认视为活跃对象，避免后续因无写屏障导致漏标。
并发标记中新增栈对象：直接标黑在 GC 并发标记过程中，应用线程若在栈区新增对象（比如对象 9），直接将该对象标记为黑色。若不这样做，新增对象会是白色，标记结束后可能被漏标，此时需要触发 STW（Stop The World，暂停应用线程）重新扫描，影响性能。直接标黑虽可能 “误判”（将部分不活跃对象标为活跃），但可避免 STW，权衡性能后选择此方案（不活跃对象可在下一次 GC 中回收）。
栈区对象引用修改：不改变颜色若栈区中的黑色对象发生引用删除或修改，不会改变其黑色属性。因为黑色对象已被判定为活跃对象，即使引用变化，本次 GC 也不会回收它，后续 GC 会重新判断其状态。

三、补充说明：GC 三色标记法的面试意义与实践应用

（一）面试中的 “三色标记法”

在面试中考察三色标记法，核心是检验候选人对 JVM 垃圾回收底层原理的理解深度，而非实际工作中的高频应用。具体特点如下：

工作中使用率低：绝大多数开发场景中，无需直接操作或修改 GC 机制，了解三色标记法不影响日常业务开发；
面试区分度高：当候选人技术水平相近时，能否回答出三色标记法的原理、强弱不变式、写屏障等细节，会成为面试的 “加分项” 甚至 “决定项”；
属于 “八股文” 但必要：虽偏向理论，但能反映候选人对底层知识的钻研态度，因此成为常见面试题。

（二）实践中的应用：GC 参数调优

深入理解三色标记法等 GC 原理，虽不直接用于业务开发，但可辅助进行 GC 参数调优，比如：

调整 GC 触发阈值：默认情况下，部分 GC 算法可能每 2 分钟触发一次垃圾回收，若了解 GC 标记流程，可根据应用的内存使用情况（比如堆内存增长速度），通过参数（如-XX:MaxGCPauseMillis）调整 GC 触发时机，减少 GC 对应用性能的影响；
选择合适 GC 算法：不同 GC 算法（如 G1、ZGC）对三色标记法的实现细节不同（比如 G1 使用混合写屏障），了解原理可帮助选择更适配业务场景的 GC 算法。