JVM三色标记法与读写屏障

JVM 三色标记法与读写屏障

作者： 老郑 2021-08-16 10:35:52
云计算
虚拟化 GC 垃圾回收器其主要的目的是为了实现内存的回收，在这个过程中主要的两个步骤就是：内存标记，内存回收。

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三色标记法

GC 垃圾回收器其主要的目的是为了实现内存的回收，在这个过程中主要的两个步骤就是：内存标记，内存回收。

三色标记法简介

三色标记法，主要是为了高效的标记可被回收的内存块。

三色标记(Tri-color Marking)作为工具来辅助推导，把遍历对象图过程中遇到的对象，按照“是否访问过”这个条件标记成以下三种颜色：

  • 白色：表示对象尚未被垃圾收集器访问过。显然在可达性分析刚刚开始的阶段，所有的对象都是白色的，若在分析结束的阶段，仍然是白色的对象，即代表不可达。
  • 黑色：表示对象已经被垃圾收集器访问过，且这个对象的所有引用都已经扫描过。黑色的对象代 表已经扫描过，它是安全存活的，如果有其他对象引用指向了黑色对象，无须重新扫描一遍。黑色对 象不可能直接(不经过灰色对象)指向某个白色对象。
  • 灰色：表示对象已经被垃圾收集器访问过，但这个对象上至少存在一个引用还没有被扫描过。

三色标记过程

标记过程：

  1. 在 GC 并发开始的时候，所有的对象均为白色;
  2. 在将所有的 GC Roots 直接应用的对象标记为灰色集合;
  3. 如果判断灰色集合中的对象不存在子引用，则将其放入黑色集合，若存在子引用对象，则将其所有的子引用对象存放到灰色集合，当前对象放入灰色集合
  4. 按照此步骤 3 ，依此类推，直至灰色集合中所有的对象变黑后，本轮标记完成，并且在白色集合内的对象称为不可达对象，即垃圾对象。
  5. 标记结束后，为白色的对象为 GC Roots 不可达，可以进行垃圾回收。

误标

什么是误标?当下面两个条件同时满足，会产生误标：

赋值器插入了一条或者多条黑色对象到白色对象的引用

赋值器删除了全部从灰色对象到白色对象的直接引用或者间接引用

误标的解决方案

要解决误标的问题，只需要破坏这两个条件中的任意一种即可，分别有两种解决方案：增量更新(Incremental Update) 和原始快照(Snapshot At The Beginning, STAB)

增量更新

增量更新要破坏的是第一个条件，当黑色对象插入新的指向白色对象的引用关系时，就将这个新插入的引用记录下来，等并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的黑色对象为根，重新扫描一次。这可以简化理解为，黑色对象一旦新插入了指向白色对象的引用之后，它就变回灰色对象 了。

原始快照 (STAB)

原始快照要破坏的是第二个条件，当灰色对象要删除指向白色对象的引用关系时，就将这个要删 除的引用记录下来，在并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的灰色对象为根，重新扫描 一次。这也可以简化理解为，无论引用关系删除与否，都会按照刚刚开始扫描那一刻的对象图快照来进行搜索。

漏标和多标

对于错标其实细分出来会有两种情况，分别是：漏标和多标

多标-浮动垃圾

如果标记执行到 E 此刻执行了 object.E = null

在这个时候， E/F/G 理论上是可以被回收的。但是由于 E 已经变为了灰色了，那么它就会继续执行下去。最终的结果就是不会将他们标记为垃圾对象，在本轮标记中存活。在本轮应该被回收的垃圾没有被回收，这部分被称为“浮动垃圾”。浮动垃圾并不会影响程序的正确性，这些“垃圾”只有在下次垃圾回收触发的时候被清理。还有在，标记过程中产生的新对象，默认被标记为黑色，但是可能在标记过程中变为“垃圾”。这也算是浮动垃圾的一部分。

漏标-读写屏障

写屏障(Store Barrier)

给某个对象的成员变量赋值时，其底层代码大概长这样：

   
 
 
 
    
    
  
  
  
  1. /** 
    2.     
  
  
  
  2.  * @param field 某个对象的成员属性 
    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 // 赋值操作 
    7.     
  
  
  
  7. } 
    8.

所谓写屏障，其实就是在赋值操作前后，加入一些处理的逻辑(类似 AOP 的方式)

   
 
 
 
    
    
  
  
  
  1. void oop_field_store(oop* field, oop new_value) { 
    2.     
  
  
  
  2.     pre_write_barrier(field); // 写屏障-写前屏障 
    3.     
  
  
  
  3.     *fieild = new_value // 赋值操作  
    4.     
  
  
  
  4.     pre_write_barrier(field); // 写屏障-写后屏障 
    5.     
  
  
  
  5. } 
    6.

写屏障 + SATB

当对象E的成员变量的引用发生变化时(objE.fieldG = null;)，我们可以利用写屏障，将E原来成员变量的引用对象G记录下来：

   
 
 
 
    
    
  
  
  
  1. void pre_write_barrier(oop* field) { 
    2.     
  
  
  
  2.     oop old_value = *field; // 获取旧值 
    3.     
  
  
  
  3.     remark_set.add(old_value); // 记录 原来的引用对象 
    4.     
  
  
  
  4. } 
    5.

【当原来成员变量的引用发生变化之前，记录下原来的引用对象】 这种做法的思路是：尝试保留开始时的对象图，即原始快照(Snapshot At The Beginning，SATB)，当某个时刻 的GC Roots确定后，当时的对象图就已经确定了。比如 当时 D是引用着G的，那后续的标记也应该是按照这个时刻的对象图走(D引用着G)。如果期间发生变化，则可以记录起来，保证标记依然按照原本的视图来。值得一提的是，扫描所有GC Roots 这个操作(即初始标记)通常是需要STW的，否则有可能永远都扫不完，因为并发期间可能增加新的GC Roots。

SATB破坏了条件一：【灰色对象 断开了 白色对象的引用】，从而保证了不会漏标。

一点小优化：如果不是处于垃圾回收的并发标记阶段，或者已经被标记过了，其实是没必要再记录了，所以可以加个简单的判断：

   
 
 
 
    
    
  
  
  
  1. void pre_write_barrier(oop* field) { 
    2.     
  
  
  
  2.   // 处于GC并发标记阶段 且 该对象没有被标记（访问）过 
    3.     
  
  
  
  3.   if($gc_phase == GC_CONCURRENT_MARK && !isMarkd(field)) {  
    4.     
  
  
  
  4.       oop old_value = *field; // 获取旧值 
    5.     
  
  
  
  5.       remark_set.add(old_value); // 记录  原来的引用对象 
    6.     
  
  
  
  6.   } 
    7.     
  
  
  
  7. } 
    8.

写屏障 + 增量更新

当对象D的成员变量的引用发生变化时(objD.fieldG = G;)，我们可以利用写屏障，将D新的成员变量引用对象G记录下来：

   
 
 
 
    
    
  
  
  
  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); // 记录新引用的对象 
    4.     
  
  
  
  4.   } 
    5.     
  
  
  
  5. } 
    6.

【当有新引用插入进来时，记录下新的引用对象】 这种做法的思路是：不要求保留原始快照，而是针对新增的引用，将其记录下来等待遍历，即增量更新(Incremental Update)。

增量更新破坏了条件二：【黑色对象 重新引用了 该白色对象】，从而保证了不会漏标。

读屏障(Load Barrier)

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

读屏障直接针对第一步 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); // 记录读取到的对象 
    5.     
  
  
  
  5.   } 
    6.     
  
  
  
  6. } 
    7.     
  
  
  
  7. 这种做法是保守的 
    8.

这种做法是保守的，但也是安全的。因为条件二中【黑色对象 重新引用了 该白色对象】，重新引用的前提是：得获取到该白色对象，此时已经读屏障就发挥作用了。

三色标记法与垃圾回收器

增量更新：CMS

原始快照(STAB)：G1，Shenandoah

参考文档

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 虚拟机-第三版》周志明

新闻名称：JVM三色标记法与读写屏障
路径分享：http://www.shufengxianlan.com/qtweb/news28/297078.html

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