GC标记-清除算法在执行过程中需要暂停其他线程的原因主要包括：确保内存的一致性、避免并发错误、简化算法实现。在标记过程中，GC需要遍历对象图来标记所有活跃对象，如果应用线程继续运行，那么对象图可能会发生变化，比如引用关系的更新、对象状态的改变或新对象的生成，这将导致GC不能准确地识别哪些对象是可以回收的。同时，GC在清除阶段释放对象所占用的空间，若此时有应用线程试图访问这些刚被清除的对象，将会产生并发错误。通过停止所有应用线程，确保了在GC执行期间，被标记的对象状态不改变，从而使得GC可以正确、安全地完成垃圾回收任务。
一、GC标记-清除算法概述
标记-清除（Mark-Sweep）算法是一种基础的垃圾收集技术，主要包括两个阶段：标记和清除。首先，GC遍历所有可达对象，标记所有活跃的（即被引用的）对象；随后，在清除阶段，GC会遍历堆内存，清理掉所有未被标记的对象，即认为是垃圾的对象。
标记阶段
在标记阶段，GC从根集（Root Set）开始遍历，根集通常包括全局引用和活跃线程的调用栈中的引用。GC沿着引用链逐个对象进行遍历，并标记这些对象为活跃状态，这个过程需要访问并修改对象的元数据，通常是在对象的头部存储标记信息。
清除阶段
随后进入清除阶段，GC将遍历整个堆内存，识别出那些未被标记的对象并进行清除，释放其占用的内存空间。清除后的堆内存通常是不连续的，由此产生的内存碎片是这一算法的一个主要缺陷。
二、暂停其他线程（Stop-the-world）
GC在执行标记-清除算法时暂停其他线程，也被称为“全局暂停”（Stop-the-world，STW），意味着除了垃圾回收线程之外的所有线程都会被暂停。
确保内存状态一致性
STW确保在标记和清除阶段应用程序的状态不会发生变化，防止出现在垃圾收集过程中出现应用状态的变化。如果应用线程在GC标记阶段继续运行，可能会改变对象之间的引用关系，导致一些本不该回收的对象被错误地标记和清除，或者一些本该回收的对象遗漏未被回收，影响GC的正确性。
防止并发错误
在清除阶段，GC线程正在释放未标记对象所占用的内存。如果应用线程试图访问或修改这部分内存，将可能引发访问违规或数据损坏的并发错误。STW可以避免这类错误，确保垃圾回收的安全性。
三、GC标记-清除的执行过程
在深入了解为什么GC需要在执行标记-清除算法时暂停其他线程之前，我们先了解一下GC标记-清除的执行步骤。
对象的标记与识别
GC在标记阶段遍历对象图，将所有从根集可达的对象标记为存活状态。这一过程中，GC需要读取和修改对象头部的标记信息。
内存空间的清除与回收
在标记过程结束后，GC开始清除阶段，扫描整个堆内存，清除未被标记的对象，并且回收它们占用的内存空间。
四、标记-清除算法中的STW问题及优化
标记-清除算法在实现简单的同时，因STW带来的应用暂停问题通常是其主要的缺点之一。
STW的影响
应用的响应时间和吞吐量会因为STW而受到影响，特别是在大型应用或大内存服务器上，STW的暂停时间可能变得更加明显。
优化手段
为了减少垃圾回收对应用性能的影响，GC算法和实现不断优化，比如增量收集、并发标记和清除、以及使用写屏障和读屏障等技术来允许应用线程和垃圾回收线程并发执行。
五、其他垃圾回收算法比较
标记-清除是众多垃圾回收算法中的一个，不同的算法有各自的优缺点。如标记-压缩、复制算法、分代垃圾回收都是为了解决标记-清除中存在的问题而设计的。
标记-压缩算法
相较于标记-清除，标记-压缩算法在清除之后会将存活的对象压缩到内存的一端，解决了内存碎片问题。但压缩过程同样需要STW。
复制算法
复制算法将内存分为两块，每次只用其中一块。在垃圾收集时，将存活对象复制到另一块内存中，然后清空之前的内存块。复制算法适用于存活对象数量较少的场景，并可以减少STW的时间。
分代垃圾回收
大多数现代垃圾回收器采用分代回收策略，将对象按照生命周期的不同划分为不同的代。不同代采用不同的垃圾收集策略，可以有效地减少STW的时间和频率。
通过以上分析，可以看出GC标记-清除算法在执行过程中暂停其他线程主要是为了保障垃圾回收的正确性与安全性。不过，这一暂停操作会影响应用的处理能力和响应时间，因此现代垃圾收集器在保持应用性能的同时，努力减少STW的影响。
相关问答FAQs：
1. 为什么在GC标记-清除算法执行过程中需要暂停其他线程？
在执行GC标记-清除算法时，需要对堆中的对象进行标记，并将标记后的可回收对象进行清除。这个过程需要遍历整个堆，对每个对象进行标记，如果不暂停其他线程，那么在遍历和标记对象的过程中，其他线程可能会继续创建对象或者对对象进行修改，这样就可能导致标记的准确性受到影响。为了确保GC算法的准确性，需要在执行过程中暂停其他线程。
2. GC标记-清除算法为什么需要暂停其他线程而不能并发执行？
GC标记-清除算法是通过标记所有存活的对象来进行垃圾回收的，标记过程需要对堆中的每个对象进行遍历和标记。如果不暂停其他线程并发执行，那么在标记过程中，其他线程可能会继续操作对象，包括创建对象、修改对象或者删除对象。这样的话，标记过程就会受到干扰，可能会导致标记不准确，从而无法正确地回收垃圾对象。为了保证GC算法的正确性，需要暂停其他线程，确保标记过程的准确性。
3. 在执行GC标记-清除算法时，为什么要考虑暂停的时间？
在执行GC标记-清除算法时，暂停其他线程是为了保证标记过程的准确性。然而，暂停的时间也必须要考虑到，因为暂停其他线程会导致应用程序无法响应用户的请求，可能会造成应用程序的性能下降或者用户体验不佳。因此，在设计GC算法的时候，需要在准确性和性能之间进行平衡。优化算法的目标就是尽可能地减少暂停的时间，同时保证标记过程的准确性，从而提高应用程序的性能和用户体验。
