Shenandoah GC读屏障汇编指令开销超过5%？LoadReferenceBarrier向量化与SATB屏障消除

Shenandoah GC 读屏障：汇编指令开销、向量化与SATB屏障消除

各位听众，大家好。今天我们来深入探讨 Shenandoah GC 中的读屏障，特别是其汇编指令开销，以及如何通过向量化和 SATB (Snapshot-At-The-Beginning) 屏障消除来优化性能。

1. Shenandoah GC 读屏障简介

Shenandoah GC 是一种并发的、整理型的垃圾收集器，旨在提供亚毫秒级的停顿时间。为了实现这一目标，它采用了并发标记、并发整理等技术。这些并发操作需要读屏障来确保堆的一致性，防止“悬挂指针”问题。

简单来说，读屏障是在读取对象引用时执行的一段代码，用于检查被引用对象是否已经被移动或更新。如果对象已经被移动，读屏障需要采取一些措施，例如更新引用或返回 forwarding 指针，从而保证程序能够访问到正确的对象。

2. 读屏障的实现方式

读屏障的实现方式多种多样，常见的包括：

• Load Barrier： 在每次读取对象引用时执行。这是最直接的方式，但开销也最大。
• Store Barrier： 在每次写入对象引用时执行。
• Card Marking： 将堆划分为多个卡片，当卡片内的对象被修改时，标记该卡片。
• Write Barrier + Read Barrier 组合： 使用写屏障来记录对象的变化，然后使用读屏障来根据这些记录进行处理。

Shenandoah GC 主要使用 Load Barrier，因为它需要在并发整理期间处理对象移动。

3. 汇编指令开销

Load Barrier 的一个主要挑战是其性能开销。每次读取对象引用都需要执行额外的汇编指令，这会显著影响应用程序的吞吐量。

让我们看一个简化的 Load Barrier 的汇编代码示例 (x86-64)：

mov rax, [rbx + offset]  ; 读取对象引用到 rax

test rax, rax            ; 检查 rax 是否为 null
jz  .no_barrier         ; 如果为 null，则跳过屏障

mov rdi, rax            ; 将 rax (对象引用) 传递给屏障函数
call shenandoah_load_barrier ; 调用 Shenandoah 的 Load Barrier 函数

mov rax, r10            ; 将屏障函数的返回值 (可能是更新后的引用) 赋值给 rax

.no_barrier:
; ... 使用 rax 中的对象引用 ...

这段代码的开销主要来自以下几个方面：

• 额外的指令： test、jz、mov、call 等指令增加了 CPU 的执行负担。
• 函数调用： call shenandoah_load_barrier 涉及到函数调用开销，包括栈帧的建立和销毁。
• 缓存未命中： Load Barrier 函数可能不在 CPU 缓存中，导致缓存未命中，进一步降低性能。

如果 Load Barrier 的开销超过 5%，那么对于对延迟敏感的应用程序来说，这是一个不可接受的数字。我们需要找到方法来降低这个开销。

4. 向量化 (Vectorization)

一种优化 Load Barrier 的方法是使用向量化指令 (SIMD – Single Instruction, Multiple Data)。向量化可以同时处理多个数据，从而减少指令的数量和函数调用的次数。

假设我们需要读取一个对象数组，每个对象都包含一个引用字段。我们可以使用向量化指令来同时读取多个引用，然后将它们传递给 Load Barrier 函数。

以下是一个简化的示例，展示了如何使用 AVX2 指令集来实现向量化的 Load Barrier (C++ 代码，内联汇编)：

#include <iostream>
#include <immintrin.h> // AVX2 intrinsic functions

// 假设 Object 结构体
struct Object {
  Object* ref;
  int data;
};

// 向量化的 Load Barrier 函数
void vectorized_load_barrier(Object** refs, Object** result, int count) {
  for (int i = 0; i < count; i += 8) { // 每次处理 8 个对象
    __m256i refs_vec = _mm256_loadu_si256((__m256i*)&refs[i]); // 加载 8 个引用到向量寄存器

    // 调用 Shenandoah 的 Load Barrier 函数 (修改为向量化的版本)
    __m256i result_vec = shenandoah_vectorized_load_barrier(refs_vec);

    _mm256_storeu_si256((__m256i*)&result[i], result_vec); // 将结果存储回数组
  }
}

// 假设的 Shenandoah 向量化 Load Barrier 函数 (简化版)
__m256i shenandoah_vectorized_load_barrier(__m256i refs_vec) {
  // 实际实现需要根据 Shenandoah 的内部机制进行调整
  // 这里只是一个示例，说明如何处理向量化的引用
  Object** refs = (Object**) &refs_vec;
  Object* result[8];
  for(int i = 0; i < 8; i++){
      Object* ref = refs[i];
      if(ref != nullptr){
          //假设存在转发指针
          if(ref->data == -1){
              result[i] = ref->ref;
          } else {
              result[i] = ref;
          }
      } else {
          result[i] = nullptr;
      }
  }
  return  _mm256_loadu_si256((__m256i*)result);
}

int main() {
  // 创建一些 Object 对象
  Object objects[16];
  Object* refs[16];
  Object* result[16];
  for (int i = 0; i < 16; ++i) {
    objects[i].ref = nullptr;
    objects[i].data = i;
    refs[i] = &objects[i];
    result[i] = nullptr;
  }

  // 使用向量化的 Load Barrier
  vectorized_load_barrier(refs, result, 16);

  // 打印结果
  for (int i = 0; i < 16; ++i) {
    std::cout << "Original Ref: " << refs[i] << ", Result Ref: " << result[i] << std::endl;
  }

  return 0;
}

代码解释：

• _mm256_loadu_si256: AVX2 指令，用于从内存中加载 256 位数据到 __m256i 向量寄存器。我们可以一次加载 8 个 Object* 指针 (假设 Object* 是 32 位)。
• shenandoah_vectorized_load_barrier: 这是 Shenandoah 实际的向量化 Load Barrier 函数的占位符。它需要根据 Shenandoah 的内部机制进行实现，例如检查 forwarding 指针，并返回更新后的引用向量。
• _mm256_storeu_si256: AVX2 指令，用于将 __m256i 向量寄存器中的数据存储回内存。

向量化的优势：

• 减少指令数量： 通过一次处理多个数据，减少了循环的迭代次数和指令的数量。
• 减少函数调用： 如果 Load Barrier 的逻辑可以向量化，可以减少函数调用的次数。
• 提高数据局部性： 向量化操作更容易利用 CPU 缓存，提高数据局部性。

向量化的挑战：

• 对齐要求： 某些向量化指令对数据对齐有要求，如果数据没有对齐，可能会导致性能下降。
• 代码复杂度： 向量化代码通常比标量代码更复杂，需要更多的开发和调试工作。
• 平台依赖性： 向量化指令集 (例如 AVX2) 在不同的 CPU 架构上可能有所不同。

5. SATB (Snapshot-At-The-Beginning) 屏障消除

Shenandoah GC 使用 SATB (Snapshot-At-The-Beginning) 技术来进行并发标记。这意味着在标记阶段开始时，GC 会创建一个堆的快照。GC 只会扫描这个快照，而不会扫描整个堆。

SATB 技术的关键在于，它需要跟踪所有在标记阶段开始后被覆盖的引用。这些被覆盖的引用可能指向在标记阶段之后创建的对象，而这些对象在快照中不存在。

为了跟踪这些被覆盖的引用，Shenandoah GC 使用了一个 SATB 队列。每次一个对象引用被覆盖时，旧的引用 (即被覆盖的引用) 会被添加到 SATB 队列中。

SATB 屏障消除：

SATB 屏障消除是指，在某些情况下，我们可以安全地省略 Load Barrier，因为我们知道即使对象被移动，也不会影响程序的正确性。

以下是一些可以消除 Load Barrier 的情况：

• 局部变量： 如果一个对象引用是局部变量，并且没有被传递给其他线程，那么我们可以安全地省略 Load Barrier。因为即使对象被移动，也只会影响当前线程，而当前线程在执行 Load Barrier 时会看到更新后的引用。
• 已知不可变对象： 如果一个对象是不可变的，那么我们可以安全地省略 Load Barrier。因为不可变对象不会被修改，所以即使它被移动，也不会影响程序的正确性。
• 在 SATB 队列中的对象： 如果一个对象已经在 SATB 队列中，那么我们可以安全地省略 Load Barrier。因为 SATB 队列已经跟踪了该对象的所有引用，所以即使该对象被移动，也不会影响程序的正确性。

SATB 屏障消除的优势：

• 减少 Load Barrier 的开销： 通过消除不必要的 Load Barrier，可以显著提高程序的吞吐量。
• 简化代码： 消除 Load Barrier 可以简化代码，提高代码的可读性和可维护性。

SATB 屏障消除的挑战：

• 需要更复杂的分析： 确定哪些 Load Barrier 可以消除需要更复杂的静态或动态分析。
• 可能引入错误： 如果错误地消除了 Load Barrier，可能会导致程序出现错误。

代码示例：

以下是一个简化的示例，展示了如何在 C++ 中实现 SATB 屏障消除：

#include <iostream>
#include <unordered_set>

// 假设 Object 结构体
struct Object {
  Object* ref;
  int data;
};

// SATB 队列 (使用 unordered_set 模拟)
std::unordered_set<Object*> satb_queue;

// 写屏障 (用于将旧的引用添加到 SATB 队列)
void write_barrier(Object* obj, Object* old_ref) {
  if (old_ref != nullptr) {
    satb_queue.insert(old_ref);
  }
}

// Load Barrier (带有 SATB 屏障消除)
Object* load_barrier(Object* ref) {
  if (ref == nullptr) {
    return nullptr;
  }

  // 检查是否在 SATB 队列中
  if (satb_queue.count(ref) > 0) {
    // 在 SATB 队列中，省略 Load Barrier
    return ref;
  }

  // 假设存在转发指针
  if (ref->data == -1) {
    return ref->ref; // 返回转发指针
  }

  return ref;
}

int main() {
  // 创建一些 Object 对象
  Object obj1, obj2, obj3;
  obj1.ref = nullptr;
  obj1.data = 1;
  obj2.ref = nullptr;
  obj2.data = 2;
  obj3.ref = nullptr;
  obj3.data = 3;

  // 模拟对象引用覆盖
  Object* ref = &obj1;
  write_barrier(nullptr, ref); // 将 obj1 添加到 SATB 队列
  ref = &obj2; // ref 现在指向 obj2

  // 使用 Load Barrier 读取引用
  Object* loaded_ref = load_barrier(ref);
  std::cout << "Loaded Ref: " << loaded_ref << std::endl; // 输出 obj2

  ref = &obj1;
  loaded_ref = load_barrier(ref);
  std::cout << "Loaded Ref: " << loaded_ref << std::endl; // 输出 obj1 (因为 obj1 在 SATB 队列中，省略 Load Barrier)

  return 0;
}

代码解释：

• write_barrier: 模拟写屏障，将旧的引用添加到 satb_queue 中。
• load_barrier: Load Barrier 函数，首先检查引用是否在 satb_queue 中。如果在，则省略 Load Barrier，直接返回引用。否则，执行正常的 Load Barrier 逻辑 (例如检查 forwarding 指针)。
• satb_queue: 使用 unordered_set 模拟 SATB 队列。

表格总结：

优化技术	优点	缺点
向量化	减少指令数量、减少函数调用、提高数据局部性	对齐要求、代码复杂度、平台依赖性
SATB 屏障消除	减少 Load Barrier 的开销、简化代码	需要更复杂的分析、可能引入错误

6. 总结：提升性能的两种途径

通过向量化可以降低指令数量，从而减少总的执行时间。而SATB屏障消除技术则可以安全地省略一些 Load Barrier，进一步提高程序的吞吐量。
希望今天的分享能够帮助大家更好地理解 Shenandoah GC 的读屏障，以及如何通过向量化和 SATB 屏障消除来优化性能。 谢谢大家。