Language agnostic 三色增量更新GC：是否需要扫描每个堆栈两次？

让我给你一个三色GC的简短介绍（以防有人读到它却从未听说过它）；如果你不在乎，跳过它，跳转到问题上来

三色GC的工作原理 在三色GC中，对象具有三种可能颜色中的一种；白色、灰色和黑色。三色GC可描述如下：

所有对象最初都是白色的

由于全局变量或堆栈变量引用而可访问的所有对象（“根对象”）均为灰色

我们取任何灰色的物体，找到它对白色物体的所有引用，并将这些白色物体涂成灰色。然后我们把物体本身涂成黑色

只要有灰色对象，我们就继续执行步骤3

如果我们不再有灰色对象，所有剩余的对象都是白色或黑色

所有的黑色物体都被证明是可以到达的，并且必须保持生命。所有白色对象都无法访问，可以删除

到目前为止，这还不太复杂……至少如果GC是StW（停止世界），这意味着它将在收集垃圾时暂停所有线程。如果它是并发的，则三色GC具有一个必须始终为真的不变量：

黑色对象不能指白色对象

这对于StW GC自动适用，因为之前已经检查过每个黑色对象，并且它指向的所有白色对象都是灰色的，因此黑色对象可能仅指其他黑色对象或灰色对象

如果线程没有暂停，线程可以执行破坏此不变量的代码。有几种方法可以防止这种情况：

捕获对指针的所有读取访问，并查看是否对白色对象进行了此读取访问。如果是，请立即将该对象涂成灰色。如果现在将对该对象的引用指定给黑色对象，则无所谓，该对象将不再是白色而为灰色（此实现使用读取屏障）

捕获对指针的所有写访问，并查看分配的对象是否为白色，而分配给它的对象是否为黑色。如果是，将白色对象涂成灰色。这是一种更明显的方法，但也需要更多的处理时间（此实现使用写屏障）

由于读访问比写访问更为常见，即使第二种可能性在遇到障碍时涉及更多的处理时间，但调用它的频率较低，因此是最受欢迎的一种。这样工作的GC称为“增量更新GC”

这两种技术都有一种替代方法，称为SatB（开始时的快照）。考虑到并非真的需要始终保持不变量这一事实，这种变化的工作原理略有不同，因为只要GC知道在当前GC循环中该白色对象过去是并且仍然是可访问的，那么黑色对象是否指白色对象并不重要（因为仍然有灰色对象引用此白色对象，或者因为此白色对象的a引用被放在显式堆栈上，GC在用完灰色对象时也会考虑该堆栈）.SatB收集器在实践中使用得更多，因为它们有一些优点，但实际上更难实现

这里我指的是增量更新GC，它使用变量2：每当代码试图使黑色对象指向白色对象时，它会立即将对象变为灰色。这样，在收集周期中不会丢失此对象

问题 关于三色GCs有很多。但是有一件事我不明白。假设我们有一个对象A，它被堆栈引用，它本身引用一个对象B

stack -> A.ref -> B

现在GC开始一个循环，停止线程，扫描堆栈，并将a视为可直接访问，将其着色为灰色。一旦扫描完整个堆栈，它将再次取消暂停线程，并在步骤（3）开始处理。在开始执行任何操作之前，它将被抢占（可能发生）线程再次运行并执行以下代码：

localRef = A.ref; // localRef points to B
A.ref = NULL;     // Now only the stack points to B
sleep(10000);     // Sleep for the whole GC cycle

由于未违反不变量，B为白色，但未分配给黑色对象，B的颜色未改变，仍然为白色。a不再指B，因此在处理“灰色”时A，B不会改变颜色，A会变成黑色。在循环结束时，B仍然是白色，看起来像垃圾。但是，localRef指的是B，因此它不是垃圾

问题 我说得对吗，三色GC必须扫描每个线程的堆栈两次？一开始扫描一次，以识别根对象（得到灰色）在删除白色对象之前，这些对象可能会被堆栈引用，即使没有其他对象再引用它们。到目前为止，我所看到的算法描述中没有提到任何关于扫描堆栈两次的内容。他们都只说，在并发使用时，始终强制执行不变量非常重要，否则会丢失可访问的对象。但就我所见，这还不够。堆栈必须被视为一个大对象，一旦扫描，“堆栈为黑色”，堆栈的每个引用更新都必须使对象变为灰色

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如果真是这样的话，使用增量更新可能比我最初认为的更棘手，并且有一些性能缺陷，因为堆栈更改是所有更改中最频繁的一个。

一点术语：

让我列举一些名称，以便更清楚地解释

变量是数据的任何插槽，它可能包含指针，并且可能随时间而变化。这包括全局变量、局部变量、CPU寄存器和分配对象中的字段

在三色增量或并发GC中，有三种类型的变量：