前言

跨代引用

场景：

  • 年轻代的对象持有着老年代对象的引用、老年代的对象持有着年轻代对象的引用

特点：

  • 互相引用的两个对象几乎总是同生共死：
  • 如果某个新生代对象存在跨代引用，由于老年代对象难以消亡，该引用会使得新生对象在minor gc时得以存活，该对象经历多次minor gc后晋升到老年代，此时跨代引用自然也随着该对象的晋升而消失了。
  • 因此，存在跨代引用的对象较少。

跨代引用带来的问题：

  • 年轻代对象引用老年代对象：minor gc时需要扫描老年代。
  • 老年代对象引用年轻代对象：major gc时需要扫描年轻代。

解决方案：

  • 通过降低扫描对象的范围或数量来降低gc的耗时：
  • 年轻代对象引用老年代对象：借助 卡表/记忆集合 来减小minor gc时扫描老年代的范围，进而降低minor gc的时间。
  • 老年代对象引用年轻代对象：
  • CMS收集器：借助 提前触发minor gc 来减少年轻代中对象的数量，进而降低major gc的时间。
  • G1收集器：借助 记忆集合 来减少老年代gc时扫描年轻代的范围，进而降低minor gc的时间。

卡表

数据结构：

  • 卡表：jvm将老年代划分为若干个大小为512字节的区域(card)，并使用一个 字节(byte)数组 来标记老年代中这些区域(card)中的对象是否持有新生代对象的引用。jvm将这个 字节数组 称为卡表(card table)。
  • 卡表中的元素：表示老年代中某块区域(card)中的对象是否持有新生代对象的引用。
  • 卡表属于points-out(我引用了谁的对象)的结构。

说明：之所以使用byte数组而不是bit数组主要是速度上的考量，现代计算机硬件都是最小按字节寻址的，没有直接存储一个bit指令，所以要用bit的话就不得不多消耗几条shift+mask指令。

原理：

  • 当老年代中的某个对象持有了新生代对象的引用时，jvm将卡表中表示该对象所在区域(card)的元素设为1，表示该对象所在区域(card)是一个 dirty card。（注意：新生代对象引用老年代对象时，老年代对象所在的区域(card)不会被标记为dirty card）。
  • 年轻代gc时只扫描dirty card中的对象，而无需扫描整个老年代中的对象，从而减少年轻代gc的停顿时间。
  • 当完成所有脏卡的扫描之后，jvm便会将所有脏卡的标识位清零。

card标记为dirty card的原理

写屏障：

  • 写屏障是一小段将card标记为dirty card的代码：检查对象的引用变更时是否出现了跨代引用(g1是跨region引用)，如果出现，这将对应的card标记为dirty card。

Hotspot VM的字节码解释器和JIT编译器使用写屏障维护卡表：

  • 解释器每次执行更新引用的字节码时，都会执行一段写屏障。
  • JIT编译器在生成更新引用的代码后，也会生成一段写屏障。
  • 虽然写屏障使得应用线程增加了一些性能开销，但是minor gc的效率提高了很多，进而提高了系统的吞吐量。

思考：

minor gc时只扫描dirty card中的对象，并行收集模式下gc线程有多个，那么针对多个dirty card，这些gc线程是如何分工的呢？

步块

数据结构：

  • jvm将一定数量(默认是256)的card组成一个更大区域，这个区域称为步块(stride chunk)。

作用：

  • 多个gc线程并行收集时，每个线程每次负责扫描一个步块，其中包括：扫描该步块对应的 部分卡表 以及 该步块内dirty card中的对象。

参数：

-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions

  • 解锁诊断虚拟机参数，否则 XX:ParGCCardsPerStrideChunk 不生效

-XX:ParGCCardsPerStrideChunk

  • 设置一个gc线程每次扫描的card数量，默认是256。
  • 不能设置的太小：太小会造成老年代stride chunk数量太多，导致gc线程在stride chunk之间切换的开销增加，进而导致gc暂停时间增加。
  • 经验值：堆大小为4G时，该值设为2k，具体取值以最终调优结果为准。参考：

记忆集合

数据结构

  • 每个region都维护着一个记忆集合(Remembered Set / Rset)，收集器在标记跨代引用的对象时只需扫描(CSet中region维护的)RSet即可。
  • RSet的整体结构是一个哈希表，底层是在卡表的基础上实现的。
  • key：key记录了引用本region中对象的对象所在region的位置。
  • value：是一个集合，其元素是：其它region(由key确定是哪个region)中的对象引用本region中对象的引用及引用所在的卡表位置。
  • Rset属于points-into结构(谁引用了我的对象)

RSet、Card和Region的关系

  • 每个region被分成了多个card。
  • 不同region中的card会相互引用。
  • 图示：

java 如何跨模块引用 jvm跨代引用_老年代

  • Region1中的Card中的对象引用了Region2中的Card中的对象，蓝色实线表示的就是points-out的关系，而在Region2的RSet中，记录了Region1的Card，即红色虚线表示的关系，这就是points-into。
  • 维系RSet中的引用关系靠post-write barrier和Concurrent refinement threads来维护 。

参考：

从实际案例聊聊Java应用的GC优化 - 美团技术团队

Java Hotspot G1 GC的一些关键技术 - 美团技术团队