JVM的Card Table（卡片表）：在G1/CMS等收集器中实现增量扫描的原理 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

JVM Card Table：G1/CMS 增量扫描背后的秘密武器

各位同学，大家好。今天我们来深入探讨JVM垃圾收集器中一个非常重要的组件——Card Table（卡片表）。Card Table在G1和CMS等现代垃圾收集器中扮演着至关重要的角色，它是实现增量扫描和降低停顿时间的关键技术之一。

1. 什么是Card Table？为什么要用它？

想象一下，你需要整理一个庞大的图书馆，找出所有包含某个主题的书籍。最简单的方法就是从头到尾，一本书一本书地检查。但是，如果图书馆非常大，每次都进行完整扫描的代价就太高了。

类似地，在JVM垃圾收集过程中，我们需要找到所有指向需要回收的对象（例如，新生代的对象）的引用。如果每次GC都扫描整个堆，效率会非常低下，导致长时间的停顿。

Card Table就是为了解决这个问题而生的。它是一种位图数据结构，用于记录堆内存中哪些区域（称为Card）可能包含了对新生代对象的引用。

具体来说，Card Table本质上是一个字节数组，它的每个元素代表堆内存中的一个Card。每个Card通常是512字节大小的一块连续内存区域。当堆中的某个Card区域内的对象发生了写操作，并且这个写操作可能更新了对象引用（指向新生代对象），那么Card Table中对应的Card就会被标记为“脏（Dirty）”。

为什么要使用Card Table？

减少扫描范围： 在GC时，只需要扫描被标记为“脏”的Card，而不需要扫描整个堆，大大减少了扫描范围。
增量扫描： Card Table可以记录每次GC之后堆的变化，下次GC时只需要扫描自上次GC以来被标记为“脏”的Card。
并发标记的基础： Card Table是并发标记的基础。在并发标记阶段，应用程序线程和GC线程可以同时运行。应用程序线程对堆的修改可能会影响GC的正确性，Card Table可以记录这些修改，GC线程可以在后续阶段处理这些修改。

2. Card Table的结构和工作原理

Card Table本质上是一个字节数组，其索引对应于堆内存中的Card。

假设堆的起始地址是heap_start，Card的大小是card_size，那么堆中的第n个Card对应的Card Table中的索引可以通过以下公式计算：

card_table_index = (address - heap_start) / card_size

其中，address是Card区域内的任意地址。

Card Table中的每个字节代表一个Card的状态。通常，只有两种状态：

Dirty（脏）： 表示该Card可能包含对新生代对象的引用。
Clean（干净）： 表示该Card不包含对新生代对象的引用，或者已经扫描过。

Card Table的工作流程如下：

初始化： 在JVM启动时，会分配一块内存区域作为Card Table。所有Card都被初始化为“Clean”。
写屏障（Write Barrier）： 当应用程序线程对堆中的对象进行写操作时，会触发写屏障。写屏障是一段插入到对象写操作前后的代码，用于检测是否需要更新Card Table。
标记Card： 如果写屏障检测到写操作可能更新了对象引用（例如，将一个指向新生代对象的引用赋值给堆中的一个对象），那么写屏障会将该对象所在的Card标记为“Dirty”。
GC扫描： 在GC时，垃圾收集器会扫描Card Table，找出所有被标记为“Dirty”的Card。
扫描Card区域： 对于每个被标记为“Dirty”的Card，垃圾收集器会扫描该Card对应的堆内存区域，找出所有指向新生代对象的引用。
清除Card： 在扫描完一个Card区域后，垃圾收集器会将Card Table中对应的Card标记为“Clean”。

3. 写屏障（Write Barrier）

写屏障是Card Table实现的关键。它用于检测对象写操作，并根据需要更新Card Table。

写屏障通常有两种实现方式：

Pre-write barrier（写前屏障）： 在写操作之前执行。
Post-write barrier（写后屏障）： 在写操作之后执行。

在CMS和G1中，通常使用Post-write barrier，因为它开销更小。

Post-write barrier的代码示例（伪代码）：

void object_field_write(Object obj, Field field, Object value) {
  // 1. 执行原始的写操作
  obj.field = value;

  // 2. 写屏障
  if (need_mark_card(obj, value)) {
    mark_card_dirty(obj);
  }
}

boolean need_mark_card(Object obj, Object value) {
  // 1. 判断是否需要标记Card
  //  - obj是否在老年代？
  //  - value是否指向新生代对象？

  if (!is_in_old_gen(obj)) {
    return false; // obj不在老年代，不需要标记
  }

  if (!is_in_young_gen(value)) {
    return false; // value不是指向新生代，不需要标记
  }

  return true;
}

void mark_card_dirty(Object obj) {
  // 1. 计算Card Table的索引
  long address = address_of(obj);
  long card_table_index = (address - heap_start) / card_size;

  // 2. 将Card Table中对应的Card标记为“Dirty”
  card_table[card_table_index] = DIRTY;
}

上面的代码描述了写屏障的基本逻辑：

object_field_write函数模拟了对象字段的写操作。
need_mark_card函数判断是否需要标记Card。只有当被修改的对象在老年代，并且新值指向新生代对象时，才需要标记Card。
mark_card_dirty函数计算Card Table的索引，并将对应的Card标记为“Dirty”。

4. Card Table在G1和CMS中的应用

CMS（Concurrent Mark Sweep）:

CMS使用Card Table来支持并发标记。在并发标记阶段，应用程序线程和GC线程同时运行。应用程序线程对堆的修改可能会影响GC的正确性。CMS使用Card Table来记录这些修改。

具体来说，CMS使用Incremental Update（增量更新）算法，即当并发标记过程中，老年代的对象引用发生了变化，如果指向新生代对象，则将对应的Card标记为“Dirty”。在重新标记阶段，CMS会扫描这些被标记为“Dirty”的Card，以确保GC的正确性。

G1（Garbage First）:

G1也使用Card Table来实现增量扫描。G1将堆划分为多个Region，每个Region的大小通常是1MB或2MB。G1使用Card Table来记录Region之间的引用关系。

G1的GC过程主要包括：

初始标记（Initial Mark）： 标记所有GC Roots直接可达的对象。
并发标记（Concurrent Marking）： 从GC Roots开始，并发地遍历整个堆，标记所有可达的对象。在这个阶段，应用程序线程和GC线程可以同时运行。G1使用Card Table来记录应用程序线程对堆的修改。
最终标记（Final Mark）： 处理并发标记阶段遗留下来的少量对象。这个阶段需要STW（Stop-The-World）。
筛选回收（Live Data Counting and Evacuation）： 根据Region的回收价值和成本，选择一部分Region进行回收。

在G1中，Card Table用于记录Region之间的引用关系，帮助G1快速找到所有指向待回收Region的引用。

5. Card Table的优化

Card Table虽然可以显著减少GC的扫描范围，但它也带来了一些额外的开销：

空间开销： Card Table需要占用额外的内存空间。
时间开销： 写屏障需要执行额外的代码，这会增加应用程序的运行时间。

为了减少Card Table的开销，可以采取一些优化措施：

Coarse-grained Card Table： 增加Card的大小。这样可以减少Card Table的大小，但也会增加扫描Card区域的开销。
Dirty Card Queue： 使用队列来缓存被标记为“Dirty”的Card。这样可以减少写屏障的开销，但需要额外的同步机制。
Use of specialized CPU instructions: 一些CPU提供了专门的指令来帮助快速更新Card Table。

6. 代码示例：模拟Card Table

下面是一个简单的Java代码示例，模拟了Card Table的基本功能：

public class CardTableSimulator {

    private static final int HEAP_SIZE = 1024 * 1024; // 1MB
    private static final int CARD_SIZE = 512;
    private static final int NUM_CARDS = HEAP_SIZE / CARD_SIZE;

    private byte[] heap = new byte[HEAP_SIZE];
    private byte[] cardTable = new byte[NUM_CARDS];

    private static final byte CLEAN = 0;
    private static final byte DIRTY = 1;

    public void writeToHeap(int address, int value) {
        // 模拟写操作
        heap[address] = (byte) value;

        // 写屏障
        markCardDirty(address);
    }

    private void markCardDirty(int address) {
        int cardIndex = address / CARD_SIZE;
        cardTable[cardIndex] = DIRTY;
    }

    public void gcScan() {
        for (int i = 0; i < NUM_CARDS; i++) {
            if (cardTable[i] == DIRTY) {
                System.out.println("Scanning card: " + i);
                scanCard(i);
                cardTable[i] = CLEAN; // 清除标记
            }
        }
    }

    private void scanCard(int cardIndex) {
        int startAddress = cardIndex * CARD_SIZE;
        int endAddress = startAddress + CARD_SIZE;

        // 模拟扫描Card区域
        for (int i = startAddress; i < endAddress; i++) {
            // 检查heap[i]是否指向新生代对象
            // 这里省略了新生代的判断逻辑
            System.out.println("Scanning address: " + i + ", value: " + heap[i]);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        CardTableSimulator simulator = new CardTableSimulator();

        // 模拟写操作
        simulator.writeToHeap(1000, 1);
        simulator.writeToHeap(2000, 2);
        simulator.writeToHeap(60000, 3);

        // 执行GC
        simulator.gcScan();
    }
}

这个示例代码模拟了Card Table的基本功能：写屏障和GC扫描。

7. Card Table的限制和替代方案

虽然Card Table在许多情况下都非常有效，但它也有一些限制：

空间开销： Card Table需要占用额外的内存空间。对于非常大的堆，Card Table的空间开销可能会变得很大。
伪共享（False Sharing）： 如果多个线程同时修改相邻的Card，可能会导致伪共享，降低性能。

为了解决这些问题，一些垃圾收集器使用了其他技术来替代Card Table，例如：

Remembered Set： G1收集器主要依赖Remembered Set (RSet) 而不是全局唯一的Card Table。每个Region都有一个RSet，记录了哪些Region指向该Region。RSet 可以更精确地记录引用关系，减少扫描范围。

8. 不同GC收集器的Card Table策略

不同的GC收集器可能采用不同的Card Table策略，体现在以下几个方面：

收集器	Card 大小	写屏障实现	Card Table 结构	适用场景
CMS	512 字节	Post-write barrier (增量更新)	全局唯一的字节数组	老年代垃圾收集，追求低停顿时间
G1	512 字节	Post-write barrier (基于RSet优化)	每个Region对应一个RSet，记录指向该Region的外部引用	适用于大堆，追求高吞吐量和可预测的停顿时间
Shenandoah	512 字节	Brooks pointer (读屏障为主，写屏障辅助)	基于Brooks pointer，部分依赖Card Table	追求极低的停顿时间，牺牲一定的吞吐量
ZGC	基于着色指针，无Card Table	基于着色指针，无写屏障直接更新Card Table	基于着色指针，无Card Table	追求极低的停顿时间，适用于超大堆

注意，这里列出的只是一些常见的GC收集器和它们的Card Table策略。实际情况可能更加复杂，具体的实现细节可能会因JVM版本和配置而异。

最后想说

Card Table是JVM垃圾收集器中一个非常重要的组件，它通过记录堆内存的变化，减少GC的扫描范围，从而降低停顿时间。希望通过今天的讲解，大家能够对Card Table的原理和应用有一个更深入的理解。理解和掌握Card Table的原理，可以帮助我们更好地理解JVM垃圾收集器的工作机制，从而更好地优化Java应用程序的性能。

核心要点回顾

Card Table是一种位图数据结构，用于记录堆内存中哪些区域可能包含了对新生代对象的引用。
写屏障是Card Table实现的关键，它用于检测对象写操作，并根据需要更新Card Table。
Card Table在G1和CMS等垃圾收集器中被广泛使用，用于实现增量扫描和并发标记。

希望这些内容对您有所帮助！

JVM Card Table：G1/CMS 增量扫描背后的秘密武器

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