并发垃圾回收器正确性的理论基础

术语

赋值器(mutator):可以理解为应用线程
回收器(collector):可以理解为GC线程
并发(concurrent):多个回收器与赋值器线程同时执行
并行(parallel):赋值器线程暂停,多个回收器同时执行

三色抽象

白色:对象尚未被回收器访问
灰色:对象已被回收器访问,但未完成对其域进行扫描(可能指向白色对象)
黑色:对象已被回收器访问,且其所以域都已被扫描(黑色对象不可能直接指向白色对象)

回收波面

把回收过程看作已以灰色对象为“波面”并不断向前推进的过程,波面之后为黑色对象,之前为白色对象。随着波面的推进最终所有活对象都变成黑色。

并发回收的正确性

安全性:回收器至少保留所有可达对象
存活性:一个回收周期最终必须能结束

破坏安全性的条件

(某可达对象最终仍是白色对象,即造成对象丢失)

1. 赋值器将一个指向白色对象的引用写入黑色对象
2. 从灰色对象出发,最终能到达该白色的路径都被赋值器破坏

只需要保证上面两种情况不同时出现。

赋值器颜色

在回收过程中我们将赋值器看做对象,看赋值器根是否允许持有白色对象的引用。

允许持有:灰色赋值器
不允许持有:黑色赋值器

赋值器颜色对回收周期的结束产生影响,灰色赋值器在回收结束之前需重新扫描赋值器的根。

方案

增量更新(incremental update)

 把赋值器对已知存活的对象的增量修改通知给回收器,产生额外需要扫描的对象(被写入黑色对象的引用指向的对象),回收器保守的将其当做存活对象。

写屏障拦截赋值器将白色引用写入黑色对象的行为
读屏障拦截赋值器加载白色引用的行为

起始快照(snapshot at the beginning)

开始时刻保留存活对象的集合,当赋值器从灰色或者白色对象中删除白色引用时,写屏障将次行为通知回收器,回收器保守的将其目标对象当做存活对象

写屏障拦截赋值器从灰色或白色对象中删除灰色或白色引用的行为

不同回收算法的使用方案

CMS

基于增量更新方案(灰色赋值器), 写屏障拦截引用的写操作(将白色引用写入黑色对象的行为)

function write(srcObject, property, newReference){
    srcObject.property = newReference
    if isBlack(srcObject)
        mark(newReference -> object)
}

G1

基于起始快照方案(黑色赋值器), 写屏障拦截引用的写操作(从灰色或白色对象中删除灰色或白色引用的行为,即对白色或灰色对象域的重新复制)

function write(srcObject, property, newReference){
    if isGrey(srcObject) || isWhite(srcObject)
        mark(srcObject.property -> object)
    srcObject.property = newReference
}

ZGC

基于增量更新方案(黑色赋值器),读屏障拦截引用的加载操作

function read(srcObject, property){
    reference = srcObject.property;
    if isGrey(srcObject) || isWhite(srcObject)
        mark(reference -> object)
    return reference;
}

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