jvm 优化篇-（8）-跨代引用问题(RememberSet、CardTable、ModUnionTable、DirtyCard)

死神-露琪亚

1、什么是跨代引用？

红色的线表示由虚拟机栈中发出的引用。显然B--->A、E--->F都是跨代引用。

跨代引用逻辑图

2、跨代引用对MonitorGC的影响

JVM GC 判断对象是否可以回收使用可达性分析的方法，可达性分析首先需要找到 GC Roots 对象。

常规GC-Root：

• 1）虚拟机栈（栈帧中的局部变量表）中引用的对象【Stack Local】。
• 2）本地方法栈（native方法）引用的对象。
• 3）方法区中类静态属性、静态方法引用的对象。
• 4）方法区中常量引用的对象。

MonitorGC个性GC-Root：

• 5） RememberSet数据结构（CardTable是具体实现类似数组）

这里重点讲一下CardTable:
        作用：采用空间换时间，不需要扫描整个Heap空间，降低MonitorGC耗时。跨代引用带来的问题，采用CardTable很好的规避了遍历整个老年代的问题。
        HotSpot JVM的卡页（Card Page）大小为512字节，卡表（Card Table）被实现为一个简单的字节数组，即卡表的每个标记项为1个字节。

CardTable标记着是否存在老年代引用新生代

如上图发现：B、C所在的Card Page在CardTable中被标记上了。

【思考】MonitorGC的GC-Root中包括CardTable，如何提高MonitorGC效率？

就需要降低跨代引用的对象，尽量设置稍大些的From、To区域，尽量将对象消灭在Young Gen区域。同时也表示对象不是越早进入老年代越好（老年代对象引用新生代对象就是一个很好的说明）！！！。

3、跨代引用对CMS中 OldGC的影响

CMS-OldGC回收♻️分为7个步骤：

CMS的7个步骤

重点步骤解读：

• 1、初始标记（Initial Mark）

  • 目标：进行可达性分析，标记GC ROOT能直接关联到的对象。
  • 标记范围：Young Gen + Old Gen。
  • 线程：JDK1.7是单线程，JDK1.8是多线程(-XX:+CMSParallelInitialMarkEnabled调整)
  • STW：触发Stop-The-World
  • 特点：速度极快

• 2、并发标记（Concurrent Mark）

  • 目标：遍历阶段1初始标记出来的存活对象，然后继续递归标记这些对象可达的对象。（黑白灰三色标记法）。
  • 标记范围：Young Gen + Old Gen。
  • STW：不触发
  • 特点：慢，很耗时。
  • 特殊操作：通过Old区卡片标记(Card Marking)，提前把老年代空间逻辑划分为相等大小的区域(Card Page)，如果引用关系发生改变，JVM会将发生改变的区域标记位“脏区”(Dirty Card)。JVM会对“并发标记”阶段应用线程新产生的对象及对象涉及的引用修改做记录（Mod-Union Table）

• 3、预清理（Preclean）

  • 目标：2阶段中记录在Mod-Union Table的这些脏区会被找出来，刷新引用关系，清除“脏区”标记。
  • 标记范围： Old Gen。
  • 线程：GC线程和应用线程也是并发执行
  • STW：不触发
  • 特点：速度一般

• 4、可中断的预清理(Concurrent Abortable Preclean)

  • 目标：降低垃圾回收时对应用的暂停时间，整个过程最耗时步骤在5(最终标记)，所以4步骤提前进行。
  • 触发条件：此阶段在Eden区使用超过2M时启动，当然2M是默认的阈值，可以通过参数修改。
  • 标记范围：Young Gen + Old Gen。
    • 处理From、To区对象，标记可达到老年代的对象。
    • 和3阶段一样，扫描处理Dirty Card中的对象。
  • 终止逻辑：CMS为了避免这个阶段没有等到Minor GC而陷入无限等待，提供了参数CMSMaxAbortablePrecleanTime ，默认为5s，含义是如果可中断的预清理执行超过5s，不管发没发生Minor GC，都会中止此阶段，进入Remark。
  • 线程：GC线程和应用线程也是并发执行。
  • STW：不触发
  • 特点：速度一般
  • 特殊：下一个阶段要执行最耗时且STW的Remark阶段，Remark阶段会将整个YoungGen作为GC-Root进行操作，如果4阶段能触发一次MonitorGC就再好不过了。

• 5、重新标记（Final ReMark）

  • 目标：GC事件中第二次(也是最后一次)STW阶段，目的是完成老年代中所有存活对象的标记。
  • 标记范围：Young Gen + Old Gen。
  • 线程：GC线程独占执行
  • STW：触发Stop-The-World
  • 特点：速度较慢，可以说是整个CMS-Old GC的瓶颈点。
  • 特殊：
    • 1、遍历新生代对象，重新标记
    • 2、根据GC Roots，重新标记
    • 3、遍历老年代的Dirty Card，重新标记

• 6、并发清除(Concurrent Sweep)

  • 目标：根据标记结果清除垃圾对象。
  • 标记范围：Old Gen。
  • 线程：GC线程和应用线程也是并发执行
  • STW：不触发
  • 特点：速度一般。

• 7、并发重置(Concurrent Reset)

  • 目标：重置CMS算法相关的内部数据, 为下一次GC循环做准备。
  • 线程：GC线程和应用线程也是并发执行
  • STW：不触发
  • 特点：速度一般。

7步图解：

三阶段：初始标记

二阶段：并发标记

三阶段：并发预清理

六阶段：并发清除

4、问题思考：

【思考】CMS oldgc中remark耗时问题，跨代引用是图一中的B--->A 还是 E--->F？
答案：E--->F。
通过：-XX:+CMSScavengeBeforeRemark ,触发MonitorGC降低的就是YoungGen区的对象，从而达到标记源头减少，降低remark时间。
【思考】CMS 跨代引用是图一中的B--->A 有何危害，虚拟机是如何避开的？
答案：CardTable。
逻辑：采用创建CardTable空间区域，来避免扫整个老年代。当B无引用的时候，cardTable会被标记，一次MonitorGC就会回收♻️掉。B是如何做到没引用的，同E--->F是一样的逻辑。

【思考】CMS里有两个需要STW的阶段：initial mark，remark、这两个标记有什么不一样么？使用的GC-Root一样么？
答案：不一样。
初始标记：使用的是常规的GC-Root(虚拟机栈栈帧中的局部变量表、本地方法栈native方法、方法区中类的静态属性和方法、方法区中常量等引用的对象)
重新标记：

• 常规的GC-Root。（只有MonitorGC才会使用跟可达分析）
• 新生代所有对象。
• 遍历老年代的DirtyCard（ModUnionTable）。

【思考】同时带来了另外一个问题，MonitorGC可没有遍历整个老年代，而是采用CardTable通过时间换空间的做法，CMS-OldGC为什么采用遍历新生代所有的对象呢？
        这就是YoungGen 与 OldGen存在明显的差异：

• 老年代对象都是经历过多次GC回收♻️存活下来了，对象存在的变数极低。所以采用空间换时间效果较好。
• 新生代对象属于变化特别快的区域，如果采用空间换时间，既浪费了空间，也没有提升性能。

【思考】既然initial mark阶段+concurrent mark阶段已经扫果了young gen 为何还要再次Remark？

【思考】CardTable与mod-union table有什么关系，都是干什么的？