GC - 并发的可达性分析

并发的可达性分析

CMS和G1都有一个并发标记的过程,并发标记要解决什么问题?带来了什么问题?怎么解决这些问题呢?

可达性分析算法需要一个理论前提:该算法的全过程都需要基于一个能保障一致性的快照才能够分析,这意味着必须全程冻结用户线程的运行。而为了不冻结用户线程的运行,那我们就需要让垃圾回收线程和用户线程同时运行。

并发标记,为了削减“标记”过程的停顿时间。

产生问题?
标记过程,用户线程仍在工作,会导致标记不准确。

三色标记

把遍历对象图过程中遇到的对象,按照“是否访问过”来标记成三种颜色:

  • 白色:对象未被垃圾回收器访问过。
  • 黑色:已经被垃圾回收器访问过,且这个对象的所有引用都已经扫描过。
  • 灰色:已经被垃圾回收器扫描过,但这个对象至少存在一个引用还没有被扫描。

可以看到,灰色对象是黑色对象与白色对象之间的中间态。当标记过程结束后,只会有黑色和白色的对象,而白色的对象就是需要被回收的对象。

垃圾回收器在对象图上面标记颜色,而同时用户线程在修改引用关系,引用关系修改了,那么对象图就变化了,这样就有可能出现两种后果:

  • 浮动垃圾:一种是把原本消亡的对象错误的标记为存活,这不是好事,但是其实是可以容忍的,只不过产生了一点逃过本次回收的 浮动垃圾而已,下次清理就可以。
  • 对象消失:一种是把原本存活的对象错误的标记为已消亡,这就是非常严重的后果了,一个程序还需要使用的对象被回收了,那程序肯定会因此发生错误。
    JVM_GC-Concurrent-Mark-Object-Disappear

对象消失

Wilson,他在1994年在理论上证明了,只有同时满足以下两个条件时,会产生“对象消失”的问题,原来应该是黑色的对象被标记成了白色。

  • 条件一:赋值器插入了一条或者多条从黑色对象到白色对象的新引用。
  • 条件二:赋值器删除了全部从灰色对象到该白色对象的直接或间接引用。

两个条件之间是当且仅当的关系,所以我们要解决并发标记时对象消失的问题,只需要破坏两个条件中的任意一个就行。

于是产生了两种解决方案:增量更新(Incremental Update)和原始快照(Snapshot At The Beginning,SATB)。

在HotSpot虚拟机中,CMS是基于增量更新来做并发标记的,G1则采用的是原始快照的方式。

增量更新

增量更新要破坏的是第一个条件(赋值器插入了一条或者多条从黑色对象到白色对象的新引用),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,再以这些记录过的引用关系中的黑色对象为根,重新扫描一次

可以简化的理解为:黑色对象一旦插入了指向白色对象的引用之后,它就变回了灰色对象。

原始快照 SATB

原始快照要破坏的是第二个条件(赋值器删除了全部从灰色对象到该白色对象的直接或间接引用),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,再以这些记录过的引用关系中的灰色对象为根,重新扫描一次。

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开进行搜索。

需要注意的是,上面的介绍中无论是对引用关系记录的插入还是删除,虚拟机的记录操作都是通过写屏障实现的。

增量更新用的是写后屏障(Post-Write Barrier),记录了所有新增的引用关系。

原始快照用的是写前屏障(Pre-Write Barrier),将所有即将被删除的引用关系的旧引用记录下来。

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