三色标记算法是JVM并发垃圾收集的核心，通过白（未访问）、灰（已访问未扫描完）、黑（已访问且扫描完）三色状态实现并发标记；其关键在于用写屏障（如SATB或增量更新）维护强/弱三色不变性，防止漏标，支撑G1、ZGC、Shenandoah等低延迟GC。

并发标记算法是现代垃圾收集器（如G1、ZGC、Shenandoah）实现低延迟的关键技术，核心目标是在应用线程持续运行的同时，准确识别出所有存活对象。它不暂停整个应用（即避免Stop-The-World），但需解决标记过程中对象引用关系动态变化带来的“漏标”问题。

三色标记法：并发标记的理论基础

该算法将对象划分为三种颜色：白色（未访问、可能垃圾）、灰色（已访问但子节点未扫描）、黑色（已访问且子节点全部扫描完毕）。初始时根对象入灰集，标记线程从灰集中取对象，将其子引用涂灰，自身涂黑；当灰集为空，所有可达对象均为黑色或灰色，剩余白色对象即可回收。

• 并发执行时，应用线程可能修改引用（如将新对象赋给老对象字段），导致原本应被标记的对象漏标
• 为保证安全性，必须满足“强三色不变性”或“弱三色不变性”，实际中通过写屏障（Write Barrier）来维护
• 常见变体包括SATB（Snapshot-At-The-Beginning）和增量更新（Incremental Update），前者在标记开始时记录初始快照，后者实时捕获新增引用

写屏障：维持标记一致性的关键机制

写屏障是插入在对象引用赋值操作前/后的轻量级钩子，用于拦截引用变更并通知标记线程。不同收集器采用不同策略：

• G1使用SATB写屏障：当对象字段被覆写时，若原引用非空，将其加入SATB缓冲区，后续重新扫描这些“被删除”的引用所指向的对象
• Shenandoah使用读屏障+Brooks指针，配合增量更新写屏障，确保标记过程中新建立的引用也能被追踪
• ZGC采用着色指针与读屏障结合，在对象加载时检查并触发标记，避免传统写屏障的性能开销

并发标记的典型阶段与协调

以G1为例，并发标记周期通常包含多个子阶段，部分与用户线程并发，部分需短暂暂停：

• 初始标记（Initial Mark）：STW，仅扫描GC Roots直接引用，速度快
• 并发标记（Concurrent Mark）：与应用并发，遍历对象图，依赖SATB写屏障保障正确性
• 最终标记（Remark）：STW，处理SATB缓冲区、引用队列等残留项，修正标记结果
• 清理（Cleanup）：STW或并发，统计分区存活数据、释放完全空闲区域

挑战与优化方向

并发标记虽降低延迟，但也引入额外复杂度和开销：

• 写屏障带来CPU和缓存压力，尤其在高写入负载场景下影响明显
• 标记线程与应用线程竞争内存带宽和CPU资源，需合理调度线程数与工作粒度
• SATB缓冲区需及时消费，否则可能溢出导致退化为更重的标记方式
• 浮动垃圾（Floating Garbage）无法避免——标记后新变为垃圾的对象只能等到下次周期回收