杭州營銷網(wǎng)站建設,建設項目自主驗收公示網(wǎng)站,服務專業(yè)的網(wǎng)頁制作,可以免費建設網(wǎng)站嗎在 JVM 垃圾收集器#xff08;尤其是分代收集器、G1/CMS 等并發(fā)收集器#xff09;的實現(xiàn)中#xff0c;記憶集#xff08;Remembered Set#xff0c;RS#xff09; 和讀寫屏障#xff08;Read/Write Barrier#xff09; 是解決跨代引用追蹤和并發(fā)標記一致性的核心技術?！?JVM 垃圾收集器尤其是分代收集器、G1/CMS 等并發(fā)收集器的實現(xiàn)中記憶集Remembered SetRS和讀寫屏障Read/Write Barrier是解決跨代引用追蹤和并發(fā)標記一致性的核心技術。二者相互配合既避免了全堆掃描的性能損耗又保證了并發(fā)場景下垃圾標記的準確性是理解現(xiàn)代 GC 機制的關鍵。一、記憶集Remembered Set解決跨代引用的 “索引”1. 為什么需要記憶集分代垃圾收集的核心假設是新生代對象朝生夕死老年代對象存活時間長因此新生代 GCMinor GC的頻率遠高于老年代 GCMajor GC。但分代模型存在一個關鍵問題老年代對象可能引用新生代對象跨代引用。根據(jù)可達性分析算法新生代 GC 時需要掃描GC Roots而老年代的跨代引用屬于 GC Roots 的一部分。如果每次 Minor GC 都全量掃描老年代會導致 STW 時間急劇增加完全違背分代收集的初衷。記憶集的核心作用記錄老年代對象指向新生代對象的引用或跨 Region 引用使 GC 時只需掃描記憶集而非全量掃描老年代 / 其他 Region從而大幅減少掃描范圍。2. 記憶集的定義與本質(zhì)記憶集是一種輔助數(shù)據(jù)結(jié)構本質(zhì)是 **“從非收集區(qū)到收集區(qū)的引用的集合”**如老年代→新生代、Old Region→Eden Region。它為每個收集區(qū)如新生代的 Eden/Survivor維護一個索引記錄哪些非收集區(qū)的內(nèi)存塊中存在指向該收集區(qū)的引用。3. 記憶集的實現(xiàn)粒度記憶集的實現(xiàn)粒度決定了 GC 掃描的效率和內(nèi)存開銷常見的粒度從粗到細分為三級粒度級別描述優(yōu)點缺點卡表Card Table將堆內(nèi)存劃分為大小固定的卡頁Card Page通常 512 字節(jié)用一個字節(jié)數(shù)組表示卡表每個元素對應一個卡頁標記該卡頁是否存在跨代引用。實現(xiàn)簡單、內(nèi)存開銷低堆內(nèi)存的 1/512、操作高效粒度較粗可能掃描少量無關對象段表Segment Table按內(nèi)存段如更大的內(nèi)存塊劃分記錄段級別的跨代引用。平衡粒度與開銷適用場景有限不如卡表常用精確表Precise Table記錄具體的對象引用地址粒度精確到單個對象。掃描無冗余效率最高內(nèi)存開銷大、更新成本高最主流的實現(xiàn)卡表Card TableJVM 中幾乎所有收集器CMS、G1、ParNew 等都采用卡表作為記憶集的實現(xiàn)以 HotSpot 為例將堆內(nèi)存按512 字節(jié)劃分為一個個卡頁用一個unsigned char類型的數(shù)組卡表對應所有卡頁數(shù)組下標與卡頁的內(nèi)存地址一一映射當某個卡頁中存在老年代對象指向新生代對象的引用時將卡表中對應位置的字節(jié)標記為臟Dirty如 0x01新生代 GC 時只需掃描卡表中標記為 “臟” 的卡頁即可找到所有跨代引用無需掃描整個老年代。4. 記憶集的適用場景分代收集器ParNew CMS、Parallel Scavenge Parallel Old 等用于記錄老年代→新生代的跨代引用G1 收集器用于記錄不同 Region 之間的引用如 Old Region→Eden Region、Old Region→Other Old Region因為 G1 的堆是由多個獨立 Region 組成的跨 Region 引用同樣需要索引ZGC/Shenandoah雖采用整堆收集但仍需記憶集輔助追蹤跨區(qū)域引用。5. 記憶集的更新時機記憶集的準確性依賴于引用變化時的及時更新而這個更新操作正是由寫屏障觸發(fā)的下文詳細講解。當對象的引用字段被修改時如老年代對象的字段指向新生代對象寫屏障會觸發(fā)卡表的 “臟標記” 操作確保記憶集能反映最新的引用關系。二、讀寫屏障Read/Write Barrier攔截對象訪問的 “鉤子”1. 屏障的本質(zhì)在 JVM 中屏障Barrier是在對象的讀、寫操作前后插入的一段額外代碼用于攔截并處理特定邏輯如更新記憶集、維護并發(fā)標記的一致性。它類似于 AOP 的切面在不修改業(yè)務代碼的前提下為對象訪問操作增加額外的 “副作用”。根據(jù)攔截的操作類型分為讀屏障Read Barrier和寫屏障Write Barrier其中寫屏障是 GC 中最常用的讀屏障僅在少數(shù)收集器如 ZGC、Shenandoah中使用。2. 寫屏障Write BarrierGC 的核心 “觸發(fā)器”寫屏障攔截的是對象引用字段的賦值操作如obj.field newObj是實現(xiàn)記憶集更新、并發(fā)標記一致性的核心機制。1寫屏障的主要作用更新記憶集卡表臟標記當修改對象引用導致跨代 / 跨 Region 引用產(chǎn)生時觸發(fā)卡表的 “臟標記”維護記憶集的準確性維護并發(fā)標記的一致性在 CMS、G1 等并發(fā)收集器中寫屏障用于記錄引用的變化解決并發(fā)標記時的 “標記遺漏” 問題如增量更新、SATB 算法輔助其他 GC 機制如在 G1 中記錄 Humongous 對象的引用變化在 ZGC 中維護顏色指針的一致性。2寫屏障的實現(xiàn)方式HotSpot 中的寫屏障分為預寫屏障Pre-Write Barrier和后寫屏障Post-Write Barrier分別在賦值操作前后執(zhí)行// 原始賦值操作obj.field newObj obj.field newObj; // 插入寫屏障后的邏輯 pre_write_barrier(obj, field, newObj); // 預寫屏障賦值前執(zhí)行 obj.field newObj; // 原始賦值 post_write_barrier(obj, field, oldObj); // 后寫屏障賦值后執(zhí)行核心場景 1卡表的臟標記后寫屏障當老年代對象的引用字段被修改為指向新生代對象時后寫屏障會觸發(fā)以下操作計算該老年代對象所在的卡頁地址將卡表中對應卡頁的標記設為 “臟”這個過程由 JVM 底層自動完成無需開發(fā)者干預。例如 HotSpot 中的card_table::make_dirty函數(shù)就是實現(xiàn)臟標記的核心邏輯。核心場景 2并發(fā)標記的一致性保障在并發(fā)標記階段用戶線程和 GC 線程并行執(zhí)行對象引用可能被修改導致標記遺漏。寫屏障通過以下兩種算法解決該問題增量更新Incremental UpdateCMS 收集器采用當對象的引用被修改時寫屏障將被修改的對象標記為 “需要重新標記”確保在重新標記階段Remark能處理這些對象避免遺漏SATBSnapshot At The Beginning初始快照G1 收集器采用當對象的引用被修改時寫屏障將舊的引用對象記錄到日志中確保并發(fā)標記基于 “標記開始時的對象圖快照”避免遺漏。3寫屏障的性能開銷寫屏障會在每次對象引用賦值時插入額外代碼理論上存在性能開銷但實際影響極小HotSpot 對寫屏障做了大量優(yōu)化如內(nèi)聯(lián)、編譯器優(yōu)化使其開銷降低到納秒級別寫屏障的開銷遠小于其帶來的 GC 性能提升如避免全堆掃描。3. 讀屏障Read Barrier少數(shù)收集器的 “特殊工具”讀屏障攔截的是對象引用的讀取操作如Object obj obj.field由于讀取操作的頻率遠高于寫入操作讀屏障的開銷更大因此僅在追求極致低延遲的收集器中使用。1讀屏障的適用場景ZGC/Shenandoah 收集器用于實現(xiàn)顏色指針Colored Pointer機制在讀取對象引用時檢查指針的顏色標記判斷對象是否被移動或需要重新定位從而實現(xiàn)幾乎無 STW 的并發(fā)收集低延遲場景在并發(fā)整理階段讀屏障可確保線程讀取到的是對象的最新地址避免訪問已被移動的對象。2讀屏障的實現(xiàn)示例以 ZGC 為例當線程讀取對象引用時讀屏障會檢查指針的標記位如果指針標記為 “已移動”則通過指針的元數(shù)據(jù)找到對象的新地址返回新地址如果指針正常則直接返回原地址。這種機制使 ZGC 能在并發(fā)整理階段移動對象而無需暫停用戶線程。三、記憶集與讀寫屏障的協(xié)同工作流程以ParNew CMS的新生代 GCMinor GC為例二者的協(xié)同過程如下對象賦值階段當老年代對象的字段指向新生代對象時寫屏障觸發(fā)卡表的臟標記將該老年代對象所在的卡頁標記為 “臟”Minor GC 觸發(fā)當新生代 Eden 區(qū)滿時觸發(fā) Minor GCGC Roots 掃描掃描線程棧、全局靜態(tài)變量等傳統(tǒng) GC Roots掃描記憶集卡表中標記為 “臟” 的卡頁找到所有老年代→新生代的跨代引用作為擴展的 GC Roots可達性分析基于上述 GC Roots遍歷新生代對象圖標記存活對象垃圾回收回收新生代的死亡對象將存活對象復制到 Survivor 區(qū)或老年代卡表清理GC 完成后清理卡表中的臟標記為下一次 GC 做準備。再以G1 的并發(fā)標記階段為例初始標記STW標記 GC Roots 直接關聯(lián)的對象寫屏障開始記錄引用變化并發(fā)標記GC 線程遍歷對象圖用戶線程并行執(zhí)行寫屏障通過 SATB 算法記錄舊引用到日志中最終標記STW處理寫屏障記錄的日志修正標記結(jié)果篩選回收根據(jù)記憶集記錄的跨 Region 引用優(yōu)先回收垃圾比例最高的 Region同時通過寫屏障維護記憶集的準確性。四、關鍵總結(jié)組件核心作用實現(xiàn)方式典型使用場景記憶集卡表記錄跨代 / 跨 Region 引用避免全堆掃描卡表主流、段表、精確表CMS、G1、ParNew 等幾乎所有現(xiàn)代收集器寫屏障觸發(fā)記憶集更新、維護并發(fā)標記一致性預寫屏障、后寫屏障增量更新、SATB所有收集器的記憶集維護CMS/G1 的并發(fā)標記讀屏障實現(xiàn)無 STW 的并發(fā)收集、顏色指針機制讀取引用時檢查指針狀態(tài)ZGC、Shenandoah核心結(jié)論記憶集是空間換時間的典型設計通過維護引用索引大幅減少 GC 的掃描范圍讀寫屏障是邏輯插樁的實現(xiàn)為 GC 提供了引用變化的 “感知能力”是并發(fā)收集的基礎二者的配合是現(xiàn)代 GC 能在高并發(fā)、大內(nèi)存場景下保證性能的關鍵也是理解 G1、ZGC 等先進收集器的核心。對于開發(fā)者而言無需手動操作這些機制但理解其原理有助于更好地調(diào)優(yōu) GC 參數(shù)、排查 GC 相關的性能問題。