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JVM三色標記法與讀寫屏障

JVM 三色標記法與讀寫屏障

作者： 老鄭 2021-08-16 10:35:52
云計算
虛擬化 GC 垃圾回收器其主要的目的是為了實現(xiàn)內存的回收，在這個過程中主要的兩個步驟就是：內存標記，內存回收。

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本文轉載自微信公眾號「運維開發(fā)故事」，作者老鄭。轉載本文請聯(lián)系運維開發(fā)故事公眾號。

三色標記法

GC 垃圾回收器其主要的目的是為了實現(xiàn)內存的回收，在這個過程中主要的兩個步驟就是：內存標記，內存回收。

三色標記法簡介

三色標記法，主要是為了高效的標記可被回收的內存塊。

三色標記(Tri-color Marking)作為工具來輔助推導，把遍歷對象圖過程中遇到的對象，按照“是否訪問過”這個條件標記成以下三種顏色：

  • 白色：表示對象尚未被垃圾收集器訪問過。顯然在可達性分析剛剛開始的階段，所有的對象都是白色的，若在分析結束的階段，仍然是白色的對象，即代表不可達。
  • 黑色：表示對象已經被垃圾收集器訪問過，且這個對象的所有引用都已經掃描過。黑色的對象代 表已經掃描過，它是安全存活的，如果有其他對象引用指向了黑色對象，無須重新掃描一遍。黑色對 象不可能直接(不經過灰色對象)指向某個白色對象。
  • 灰色：表示對象已經被垃圾收集器訪問過，但這個對象上至少存在一個引用還沒有被掃描過。

三色標記過程

標記過程：

  1. 在 GC 并發(fā)開始的時候，所有的對象均為白色;
  2. 在將所有的 GC Roots 直接應用的對象標記為灰色集合;
  3. 如果判斷灰色集合中的對象不存在子引用，則將其放入黑色集合，若存在子引用對象，則將其所有的子引用對象存放到灰色集合，當前對象放入灰色集合
  4. 按照此步驟 3 ，依此類推，直至灰色集合中所有的對象變黑后，本輪標記完成，并且在白色集合內的對象稱為不可達對象，即垃圾對象。
  5. 標記結束后，為白色的對象為 GC Roots 不可達，可以進行垃圾回收。

誤標

什么是誤標?當下面兩個條件同時滿足，會產生誤標：

賦值器插入了一條或者多條黑色對象到白色對象的引用

賦值器刪除了全部從灰色對象到白色對象的直接引用或者間接引用

誤標的解決方案

要解決誤標的問題，只需要破壞這兩個條件中的任意一種即可，分別有兩種解決方案：增量更新(Incremental Update) 和原始快照(Snapshot At The Beginning, STAB)

增量更新

增量更新要破壞的是第一個條件，當黑色對象插入新的指向白色對象的引用關系時，就將這個新插入的引用記錄下來，等并發(fā)掃描結束之后，再將這些記錄過的引用關系中的黑色對象為根，重新掃描一次。這可以簡化理解為，黑色對象一旦新插入了指向白色對象的引用之后，它就變回灰色對象 了。

原始快照 (STAB)

原始快照要破壞的是第二個條件，當灰色對象要刪除指向白色對象的引用關系時，就將這個要刪 除的引用記錄下來，在并發(fā)掃描結束之后，再將這些記錄過的引用關系中的灰色對象為根，重新掃描 一次。這也可以簡化理解為，無論引用關系刪除與否，都會按照剛剛開始掃描那一刻的對象圖快照來進行搜索。

漏標和多標

對于錯標其實細分出來會有兩種情況，分別是：漏標和多標

多標-浮動垃圾

如果標記執(zhí)行到 E 此刻執(zhí)行了 object.E = null

在這個時候， E/F/G 理論上是可以被回收的。但是由于 E 已經變?yōu)榱嘶疑耍敲此蜁^續(xù)執(zhí)行下去。最終的結果就是不會將他們標記為垃圾對象，在本輪標記中存活。在本輪應該被回收的垃圾沒有被回收，這部分被稱為“浮動垃圾”。浮動垃圾并不會影響程序的正確性，這些“垃圾”只有在下次垃圾回收觸發(fā)的時候被清理。還有在，標記過程中產生的新對象，默認被標記為黑色，但是可能在標記過程中變?yōu)椤袄?。這也算是浮動垃圾的一部分。

漏標-讀寫屏障

寫屏障(Store Barrier)

給某個對象的成員變量賦值時，其底層代碼大概長這樣：

   
 
 
 
    
    
  
  
  
  1. /** 
    2.     
  
  
  
  2.  * @param field 某個對象的成員屬性 
    3.     
  
  
  
  3.  * @param new_value 新值，如：null 
    4.     
  
  
  
  4.  */ 
    5.     
  
  
  
  5. void oop_field_store(oop* field, oop new_value) { 
    6.     
  
  
  
  6.     *fieild = new_value // 賦值操作 
    7.     
  
  
  
  7. } 
    8.

所謂寫屏障，其實就是在賦值操作前后，加入一些處理的邏輯(類似 AOP 的方式)

   
 
 
 
    
    
  
  
  
  1. void oop_field_store(oop* field, oop new_value) { 
    2.     
  
  
  
  2.     pre_write_barrier(field); // 寫屏障-寫前屏障 
    3.     
  
  
  
  3.     *fieild = new_value // 賦值操作  
    4.     
  
  
  
  4.     pre_write_barrier(field); // 寫屏障-寫后屏障 
    5.     
  
  
  
  5. } 
    6.

寫屏障 + SATB

當對象E的成員變量的引用發(fā)生變化時(objE.fieldG = null;)，我們可以利用寫屏障，將E原來成員變量的引用對象G記錄下來：

   
 
 
 
    
    
  
  
  
  1. void pre_write_barrier(oop* field) { 
    2.     
  
  
  
  2.     oop old_value = *field; // 獲取舊值 
    3.     
  
  
  
  3.     remark_set.add(old_value); // 記錄 原來的引用對象 
    4.     
  
  
  
  4. } 
    5.

【當原來成員變量的引用發(fā)生變化之前，記錄下原來的引用對象】 這種做法的思路是：嘗試保留開始時的對象圖，即原始快照(Snapshot At The Beginning，SATB)，當某個時刻 的GC Roots確定后，當時的對象圖就已經確定了。比如 當時 D是引用著G的，那后續(xù)的標記也應該是按照這個時刻的對象圖走(D引用著G)。如果期間發(fā)生變化，則可以記錄起來，保證標記依然按照原本的視圖來。值得一提的是，掃描所有GC Roots 這個操作(即初始標記)通常是需要STW的，否則有可能永遠都掃不完，因為并發(fā)期間可能增加新的GC Roots。

SATB破壞了條件一：【灰色對象 斷開了 白色對象的引用】，從而保證了不會漏標。

一點小優(yōu)化：如果不是處于垃圾回收的并發(fā)標記階段，或者已經被標記過了，其實是沒必要再記錄了，所以可以加個簡單的判斷：

   
 
 
 
    
    
  
  
  
  1. void pre_write_barrier(oop* field) { 
    2.     
  
  
  
  2.   // 處于GC并發(fā)標記階段 且 該對象沒有被標記（訪問）過 
    3.     
  
  
  
  3.   if($gc_phase == GC_CONCURRENT_MARK && !isMarkd(field)) {  
    4.     
  
  
  
  4.       oop old_value = *field; // 獲取舊值 
    5.     
  
  
  
  5.       remark_set.add(old_value); // 記錄  原來的引用對象 
    6.     
  
  
  
  6.   } 
    7.     
  
  
  
  7. } 
    8.

寫屏障 + 增量更新

當對象D的成員變量的引用發(fā)生變化時(objD.fieldG = G;)，我們可以利用寫屏障，將D新的成員變量引用對象G記錄下來：

   
 
 
 
    
    
  
  
  
  1. void post_write_barrier(oop* field, oop new_value) {   
    2.     
  
  
  
  2.   if($gc_phase == GC_CONCURRENT_MARK && !isMarkd(field)) { 
    3.     
  
  
  
  3.       remark_set.add(new_value); // 記錄新引用的對象 
    4.     
  
  
  
  4.   } 
    5.     
  
  
  
  5. } 
    6.

【當有新引用插入進來時，記錄下新的引用對象】 這種做法的思路是：不要求保留原始快照，而是針對新增的引用，將其記錄下來等待遍歷，即增量更新(Incremental Update)。

增量更新破壞了條件二：【黑色對象 重新引用了 該白色對象】，從而保證了不會漏標。

讀屏障(Load Barrier)

   
 
 
 
    
    
  
  
  
  1. oop oop_field_load(oop* field) { 
    2.     
  
  
  
  2.     pre_load_barrier(field); // 讀屏障-讀取前操作 
    3.     
  
  
  
  3.     return *field; 
    4.     
  
  
  
  4. } 
    5.

讀屏障直接針對第一步 var objF = object.fieldG;,

   
 
 
 
    
    
  
  
  
  1. void pre_load_barrier(oop* field, oop old_value) {   
    2.     
  
  
  
  2.   if($gc_phase == GC_CONCURRENT_MARK && !isMarkd(field)) { 
    3.     
  
  
  
  3.       oop old_value = *field; 
    4.     
  
  
  
  4.       remark_set.add(old_value); // 記錄讀取到的對象 
    5.     
  
  
  
  5.   } 
    6.     
  
  
  
  6. } 
    7.     
  
  
  
  7. 這種做法是保守的 
    8.

這種做法是保守的，但也是安全的。因為條件二中【黑色對象 重新引用了 該白色對象】，重新引用的前提是：得獲取到該白色對象，此時已經讀屏障就發(fā)揮作用了。

三色標記法與垃圾回收器

增量更新：CMS

原始快照(STAB)：G1，Shenandoah

參考文檔

https://www.jianshu.com/p/12544c0ad5c1

https://hllvm-group.iteye.com/group/topic/44381

https://www.oracle.com/webfolder/technetwork/tutorials/obe/java/G1GettingStarted/index.html

https://tech.meituan.com/2016/09/23/g1.html

《深入理解 JVM 虛擬機-第三版》周志明


本文題目：JVM三色標記法與讀寫屏障
文章位置：http://www.5511xx.com/article/coodcie.html