HotSpot VM的G1垃圾收集器：并发标记与RSet（Remembered Set）的原理

大家好！今天我们来深入探讨HotSpot VM中的G1（Garbage-First）垃圾收集器，重点关注其并发标记阶段以及RSet（Remembered Set）的原理。G1 GC是Java 7 Update 4引入，并在Java 9之后成为默认的垃圾收集器，它旨在替代CMS收集器，并提供更可预测的停顿时间和更高的吞吐量。

G1 GC 概述

G1 GC的设计目标是：

可预测的停顿时间： 允许用户指定期望的停顿时间目标。
高吞吐量： 在满足停顿时间目标的前提下，尽可能地提高垃圾收集效率。
减少内存碎片： 通过Region的设计，减少Full GC的频率，并进行空间整理。
充分利用多核CPU： 并发标记、清理等阶段充分利用多核CPU资源。

G1 GC将堆内存划分为多个大小相等的Region（通常为1MB到32MB），每个Region可以被标记为Eden、Survivor或Old区。G1 GC不再像CMS一样区分年轻代和老年代的物理空间，而是逻辑上将Region划分为不同的代。

G1 GC的工作流程

G1 GC的主要工作流程包括以下几个阶段：

初始标记（Initial Mark）： 标记GC Roots能直接关联到的对象，需要暂停所有线程（Stop-The-World，STW）。
并发标记（Concurrent Marking）： 从GC Roots开始，并发地遍历整个堆，标记所有可达对象。这个阶段不会暂停用户线程，但需要维护RSet来跟踪跨Region的引用关系。
最终标记（Remark）： 修正并发标记期间因用户线程运行而导致标记发生变化的那部分记录。需要短时间的STW。
筛选回收（Cleanup）： 对各个Region的回收价值和成本进行排序，根据用户期望的停顿时间来制定回收计划。包括清理空Region、复制存活对象到新的Region，并更新RSet。部分清理过程是并发的，部分是STW的。
复制/疏散（Evacuation）： 将存活对象复制到新的Region，释放旧Region。

今天，我们主要聚焦于并发标记和RSet，这两个组件是G1 GC实现并发收集和增量收集的关键。

并发标记（Concurrent Marking）

并发标记阶段是G1 GC的核心组成部分。它的目标是在不暂停用户线程的情况下，尽可能完整地标记出所有存活对象。并发标记过程依赖于三色标记算法（Tri-Color Marking）：

白色对象（White）： 尚未被垃圾收集器访问过的对象。在可达性分析的初始阶段，所有对象都是白色的。
灰色对象（Grey）： 已经被垃圾收集器访问过，但其引用对象尚未全部扫描。灰色对象是搜索路径上的中间节点。
黑色对象（Black）： 已经被垃圾收集器访问过，且其所有引用对象也已被扫描。黑色对象是可达的，不会被回收。

并发标记的步骤大致如下：

初始标记（Initial Mark）： 将GC Roots直接引用的对象标记为灰色，放入标记队列。
并发标记（Concurrent Marking）： 从标记队列中取出灰色对象，将其直接引用的对象标记为灰色（如果之前是白色），并放入标记队列。将当前灰色对象标记为黑色。重复这个过程，直到标记队列为空。
最终标记（Remark）： 由于并发标记期间用户线程也在运行，可能会导致一些对象的状态发生变化，例如：
- 原本白色对象被黑色对象引用（浮动垃圾）： 这些对象虽然被错误地标记为可达，但不会影响程序的正确性，只是会延迟回收。
- 原本灰色对象对白色对象的引用消失： 这种情况下，如果白色对象没有被其他灰色对象引用，就会被错误地标记为不可达。
为了解决并发标记带来的问题，G1 GC使用增量更新（Incremental Update）和原始快照（Snapshot-At-The-Beginning，SATB）两种算法来保证标记的正确性。
- 增量更新： 当黑色对象插入新的指向白色对象的引用时，将黑色对象重新标记为灰色，以便重新扫描。
- 原始快照： 当灰色对象删除指向白色对象的引用时，将白色对象标记为灰色，保证即使引用关系断裂，白色对象仍然能被扫描到。
G1 GC主要使用增量更新算法来处理并发标记期间的对象引用变化。

代码示例（伪代码）

// 假设已经存在一些对象，并且GC Roots已经确定
// 初始标记
for (Object root : gcRoots) {
  markGrey(root); // 将GC Roots直接引用的对象标记为灰色
}

// 并发标记
while (!markQueue.isEmpty()) {
  Object greyObject = markQueue.poll();
  for (Object child : greyObject.getReferences()) {
    if (isWhite(child)) {
      markGrey(child); // 将白色对象标记为灰色并放入队列
    }
  }
  markBlack(greyObject); // 将当前灰色对象标记为黑色
}

// 增量更新（在用户线程中发生）
void onReferenceAssignment(Object obj, Object field, Object newValue) {
  if (isBlack(obj) && isWhite(newValue)) {
    markGrey(obj); // 将黑色对象重新标记为灰色
  }
}

并发标记的挑战

并发标记虽然可以减少STW时间，但也面临着一些挑战：

需要额外的内存空间： 用于维护标记队列和RSet。
需要额外的CPU资源： 并发标记本身会消耗CPU资源，可能会影响用户线程的性能。
需要解决并发问题： 多个线程同时访问和修改对象的状态，需要进行同步。

RSet（Remembered Set）

在G1 GC中，RSet扮演着至关重要的角色。由于G1将堆划分为多个Region，对象之间的引用关系可能跨越不同的Region。如果没有RSet，每次进行垃圾收集时，都需要扫描整个堆来确定哪些对象被其他Region的对象引用，这将非常耗时。

RSet的目的是记录指向某个Region的外部引用。每个Region都有一个对应的RSet，RSet中存储的是指向该Region的对象的引用信息。

具体来说，RSet记录的是“哪些Region的对象引用了本Region的对象”。通过RSet，G1 GC可以快速找到哪些对象被其他Region的对象引用，从而避免全堆扫描。

RSet的实现

RSet的实现是一个复杂的问题，需要考虑空间占用、更新效率和查询效率。G1 GC的RSet实现是一个哈希表结构，其基本原理是：

Key： 指向目标Region的Region的地址。
Value： 一个集合，包含指向目标Region的对象的引用信息。

RSet的更新发生在对象引用的修改时，例如，当一个Region A的对象引用了Region B的对象时，Region B的RSet需要更新，记录来自Region A的引用。

为了提高RSet的更新效率，G1 GC引入了卡表（Card Table）的概念。卡表是一个字节数组，将堆内存划分成多个卡（Card），每个卡对应卡表中的一个字节。当卡中的对象发生引用变化时，对应的卡表项会被标记为“脏（Dirty）”。

在更新RSet时，G1 GC只需要扫描被标记为“脏”的卡，找到其中的引用变化，然后更新RSet。这样可以避免扫描整个堆，大大提高了RSet的更新效率。

代码示例（伪代码）

// 卡表
byte[] cardTable;

// RSet (每个Region对应一个RSet)
Map<Region, Set<Reference>> rsets = new HashMap<>();

// 当Region A的对象引用了Region B的对象时
void updateRSet(Region regionA, Region regionB, Reference reference) {
  // 1. 找到Region B对应的RSet
  Set<Reference> rset = rsets.get(regionB);
  if (rset == null) {
    rset = new HashSet<>();
    rsets.put(regionB, rset);
  }

  // 2. 将引用信息添加到RSet中
  rset.add(reference);
}

// 当卡表中的某个卡被标记为脏时
void processDirtyCard(Card card) {
  // 1. 扫描卡中的对象，找到引用变化
  for (Object obj : card.getObjects()) {
    for (Reference reference : obj.getReferences()) {
      Region sourceRegion = getRegion(obj);
      Region targetRegion = getRegion(reference.getTarget());

      // 如果引用关系跨越Region，则更新RSet
      if (sourceRegion != targetRegion) {
        updateRSet(sourceRegion, targetRegion, reference);
      }
    }
  }
}

RSet的作用

RSet在G1 GC中起着至关重要的作用：

加速垃圾收集： 通过RSet，G1 GC可以快速找到哪些对象被其他Region的对象引用，避免全堆扫描。
支持并发收集： RSet使得G1 GC可以在并发标记阶段跟踪跨Region的引用关系，保证标记的正确性。
支持增量收集： RSet使得G1 GC可以增量地进行垃圾收集，每次只收集一部分Region，从而减少STW时间。

RSet的维护成本

虽然RSet带来了很多好处，但也增加了垃圾收集器的维护成本：

空间占用： RSet需要占用额外的内存空间来存储引用信息。
更新开销： 当对象引用发生变化时，需要更新RSet，这会带来一定的开销。
并发控制： 多个线程同时访问和修改RSet，需要进行并发控制。

G1 GC通过各种优化技术来降低RSet的维护成本，例如：

压缩RSet： 使用更紧凑的数据结构来存储引用信息。
批量更新RSet： 将多个更新操作合并成一个操作，减少锁竞争。
异步更新RSet： 将RSet的更新操作放到后台线程执行，减少对用户线程的影响。

并发标记和RSet的协同工作

并发标记和RSet是G1 GC中两个密切相关的组件。并发标记负责标记存活对象，RSet负责跟踪跨Region的引用关系。它们协同工作，共同保证了G1 GC的正确性和效率。

在并发标记阶段，G1 GC会扫描RSet，找到指向当前Region的外部引用，并将这些引用指向的对象标记为灰色。这样可以确保所有可达对象都被标记，即使它们位于不同的Region。

同时，当对象引用发生变化时，G1 GC会更新RSet，保证RSet中的引用信息是最新的。这样可以确保并发标记阶段能够正确地跟踪跨Region的引用关系。

表格总结

组件	作用	实现方式	优点	缺点
并发标记	在不暂停用户线程的情况下，标记所有存活对象。	三色标记算法（增量更新/原始快照）	减少STW时间，提高吞吐量。	需要额外的内存空间和CPU资源，需要解决并发问题。
RSet	记录指向某个Region的外部引用。	哈希表（Key：Region地址，Value：引用信息集合）卡表（标记“脏”卡）	加速垃圾收集，支持并发收集和增量收集。	空间占用，更新开销，并发控制。
并发标记+RSet	并发标记通过RSet跟踪跨Region的引用关系，保证标记的正确性。RSet通过并发标记的信息，可以快速找到哪些对象被其他Region的对象引用，避免全堆扫描。	并发标记线程扫描RSet，将RSet中记录的引用指向的对象标记为灰色。用户线程修改对象引用时，更新RSet。	既能减少STW时间，又能保证垃圾收集的正确性和效率。	维护成本较高，需要各种优化技术来降低开销。

总结

G1 GC的并发标记和RSet是实现高效垃圾收集的关键技术。并发标记允许在不暂停用户线程的情况下标记存活对象，而RSet则加速了垃圾收集过程，并支持增量收集。虽然它们增加了垃圾收集器的维护成本，但通过各种优化技术，G1 GC能够在满足停顿时间目标的同时，提供更高的吞吐量。理解并发标记和RSet的工作原理，有助于我们更好地理解G1 GC的内部机制，并在实际应用中更好地配置和调优G1 GC。

希望今天的分享对大家有所帮助！谢谢！