JVM Shenandoah GC在RISC-V架构下LR/SC原子指令实现内存屏障？ShenandoahBarrierSetRISCV与LoadStore屏障

JVM Shenandoah GC 在 RISC-V 架构下 LR/SC 原子指令实现的内存屏障

大家好，今天我们来深入探讨一下 JVM Shenandoah GC 在 RISC-V 架构下，如何利用 Load-Reserved/Store-Conditional (LR/SC) 原子指令来实现内存屏障。这是一个比较底层，但也至关重要的话题，它直接关系到 Shenandoah GC 在 RISC-V 平台上的正确性和性能。

Shenandoah GC 的屏障机制简介

首先，我们需要简单了解一下 Shenandoah GC 的屏障机制。Shenandoah 是一种并发的垃圾收集器，这意味着它可以在应用程序运行的同时进行垃圾收集。为了保证并发执行的正确性，Shenandoah 使用了一系列的读写屏障。这些屏障的主要作用是：

• 维护转发指针 (Forwarding Pointers): Shenandoah 在对象移动过程中，会将旧对象指向新对象的转发指针写入旧对象头部。读屏障和写屏障会检查这些转发指针，如果发现对象已经被移动，则将引用更新到新对象。
• 维护并发标记期间的堆一致性: 并发标记阶段，应用程序线程可能会修改对象图。写屏障需要记录这些修改，以便垃圾收集器能够正确地跟踪所有存活对象。

Shenandoah 中主要的屏障类型包括：

• Load Barrier (读屏障): 在从堆中读取对象引用之后执行。
• Store Barrier (写屏障): 在向堆中写入对象引用之前或之后执行。
• Update Barrier (更新屏障): 用于处理并发更新对象时的同步问题，通常与 CAS (Compare-and-Swap) 操作结合使用。

这些屏障的具体实现方式取决于底层硬件架构提供的原子操作和内存模型。在 x86 架构上，通常使用 lock cmpxchg 指令来实现 CAS，并利用 x86 的强内存模型来实现一定的内存屏障效果。而在 RISC-V 架构上，由于其相对较弱的内存模型，我们需要更加显式地使用原子指令和内存屏障指令来保证并发的正确性。

RISC-V 内存模型和原子操作

RISC-V 的内存模型比 x86 更加宽松。这意味着，即使代码在逻辑上按照一定的顺序执行，编译器和处理器也可能对其进行重排序，从而导致并发问题。因此，我们需要使用显式的内存屏障指令来保证操作的顺序性。

RISC-V 提供了一组原子指令，包括：

• Load-Reserved (LR): 原子地读取一个内存位置的值，并将其标记为“保留”。
• Store-Conditional (SC): 尝试原子地将一个新值写入之前使用 LR 指令保留的内存位置。如果该内存位置在 LR 和 SC 之间被其他线程修改过，则 SC 指令会失败，并返回一个失败标志。
• AMOS (Atomic Memory Operations): 包括原子加、原子与、原子或、原子异或等操作。

LR/SC 指令通常用于实现 CAS 操作。一个简单的 CAS 操作的 RISC-V 代码如下所示：

loop:
  lr.w  t0, (a0)     # Load-Reserved: 从地址 a0 读取值到 t0
  addi  t1, t0, 1    # 将 t0 的值加 1，结果保存在 t1 中
  sc.w  t1, (a0), t2 # Store-Conditional: 将 t1 的值写入地址 a0，结果保存在 t2 中
  bnez  t2, loop     # 如果 t2 不为 0，说明 SC 指令失败，重新尝试

这段代码尝试将地址 a0 处的值原子地加 1。lr.w 指令读取 a0 处的值，并将其标记为“保留”。然后，sc.w 指令尝试将 t1 的值写入 a0。如果 a0 在 lr.w 和 sc.w 之间被其他线程修改过，则 sc.w 指令会失败，并将非零值写入 t2。在这种情况下，代码会跳转到 loop 标签，重新尝试 CAS 操作。

除了原子指令之外，RISC-V 还提供了内存屏障指令 fence。fence 指令可以控制不同类型内存访问的顺序。例如，fence rw, rw 指令会保证所有在该指令之前的读写操作都完成之后，才能执行该指令之后的读写操作。

ShenandoahBarrierSetRISCV 的实现

在 Shenandoah GC 中，ShenandoahBarrierSetRISCV 类负责实现 RISC-V 架构下的读写屏障。这个类会使用 LR/SC 指令来实现 CAS 操作，并使用 fence 指令来保证内存操作的顺序性。

让我们来看一下 ShenandoahBarrierSetRISCV 中一些关键方法的实现：

1. load_reference_barrier (读屏障)

读屏障的主要作用是检查对象是否已经被移动，如果已经被移动，则更新引用到新对象。

// 假设 offset 是对象引用字段的偏移量
Object load_reference_barrier(Object obj, long offset) {
    Object ref = Unsafe.getObject(obj, offset);
    if (ShenandoahHeuristics.useForwardingPointers() && ShenandoahHeap.isForwarded(ref)) {
        ref = ShenandoahHeap.forward(ref);
        Unsafe.putObject(obj, offset, ref); // 更新引用
    }
    return ref;
}

在这个方法中，我们首先使用 Unsafe.getObject 读取对象引用。然后，我们检查 ref 是否已经被移动。如果 ref 是一个转发指针，则我们使用 ShenandoahHeap.forward 方法获取新对象的地址，并使用 Unsafe.putObject 将引用更新到新对象。

关键在于 ShenandoahHeap.isForwarded 和 ShenandoahHeap.forward 的实现，它们需要使用原子操作来保证并发的正确性。

例如，ShenandoahHeap.isForwarded 的一种可能的实现如下：

boolean isForwarded(Object obj) {
  long header = Unsafe.getLong(obj, 0); // 读取对象头
  return (header & FORWARDING_POINTER_MASK) != 0; // 检查是否是转发指针
}

而 ShenandoahHeap.forward 的实现可能如下，它需要使用 LR/SC 指令来实现原子 CAS 操作：

Object forward(Object obj) {
    long expectedHeader;
    long newObjectAddress;

    do {
        expectedHeader = Unsafe.getLong(obj, 0);
        newObjectAddress = expectedHeader & ~FORWARDING_POINTER_MASK; // 从对象头中提取新对象地址

        // 这里需要添加内存屏障，保证 expectedHeader 的读取是有效的
        // 在 RISC-V 上，可以使用 fence r, rw  (Read-after-Read, Read-after-Write)

    } while ((expectedHeader & FORWARDING_POINTER_MASK) == 0); // 确保对象已经被转发

    return Unsafe.getObject(newObjectAddress);
}

请注意，forward 方法中需要添加内存屏障，以保证 expectedHeader 的读取是有效的。在 RISC-V 上，可以使用 fence r, rw 指令来实现这个内存屏障。

2. store_reference_barrier (写屏障)

写屏障的主要作用是：

• 在并发标记阶段，记录对象图的修改。
• 在对象移动之前，设置转发指针。

// pre_write_barrier
void pre_write_reference_barrier(Object obj, long offset, Object value) {
    if (ShenandoahPhase.isConcurrentMarking()) {
        // 记录对象图的修改
        ShenandoahSATB.mark(obj);
    }
}

// post_write_barrier
void post_write_reference_barrier(Object obj, long offset, Object value) {
  // No-op for RISC-V, as pre-write barrier handles all necessary actions during concurrent marking.
}

在上面的代码中，pre_write_reference_barrier 方法在写操作之前执行。如果当前处于并发标记阶段，则我们需要使用 ShenandoahSATB.mark 方法来记录对象图的修改。post_write_reference_barrier 方法在写操作之后执行，在 RISC-V 平台上，由于 pre_write_reference_barrier 已经处理了所有必要的动作，所以这个方法通常是一个空操作。

ShenandoahSATB.mark 方法的实现需要使用原子操作来保证并发的正确性。例如，一种可能的实现如下：

static void mark(Object obj) {
    if (obj != null) {
        satbQueue.enqueue(obj); // 将对象加入 SATB 队列
    }
}

satbQueue.enqueue 方法需要使用原子操作来保证多线程并发访问队列的正确性。例如，可以使用 CAS 操作来实现一个无锁队列。

3. 对象移动和转发指针的设置

在对象移动过程中，我们需要原子地将旧对象头部设置为指向新对象的转发指针。这可以通过以下代码实现：

boolean cas_set_forwarding_pointer(Object oldObject, long expectedHeader, long newObjectAddress) {
    long newHeader = newObjectAddress | FORWARDING_POINTER_MASK;
    return Unsafe.compareAndSwapLong(oldObject, 0, expectedHeader, newHeader);
}

这个方法使用 Unsafe.compareAndSwapLong 方法来原子地将旧对象头部的值从 expectedHeader 更新为 newHeader。如果 CAS 操作成功，则说明转发指针设置成功，返回 true；否则，返回 false。

在 RISC-V 架构上，Unsafe.compareAndSwapLong 方法会使用 LR/SC 指令来实现 CAS 操作。

LoadStore 屏障和 fence 指令

LoadStore 屏障是指保证 Load 操作和 Store 操作的顺序性的内存屏障。在 RISC-V 架构上，可以使用 fence 指令来实现 LoadStore 屏障。

在 Shenandoah GC 中，LoadStore 屏障的使用场景包括：

• 保证转发指针设置的可见性: 当一个线程设置了转发指针之后，需要保证其他线程能够立即看到这个转发指针。这可以通过在设置转发指针之后添加一个 fence w,r 指令来实现。
• 保证对象图修改的可见性: 当一个线程修改了对象图之后，需要保证其他线程能够立即看到这些修改。这可以通过在修改对象图之后添加一个 fence rw,rw 指令来实现。

例如，在 cas_set_forwarding_pointer 方法中，我们可以添加一个 fence w,r 指令来保证转发指针设置的可见性：

boolean cas_set_forwarding_pointer(Object oldObject, long expectedHeader, long newObjectAddress) {
    long newHeader = newObjectAddress | FORWARDING_POINTER_MASK;
    boolean result = Unsafe.compareAndSwapLong(oldObject, 0, expectedHeader, newHeader);
    if (result) {
        // 添加内存屏障，保证转发指针设置的可见性
        // 在 RISC-V 上，可以使用 fence w,r  (Write-after-Write, Write-after-Read)
    }
    return result;
}

代码示例

以下是一个更完整的代码示例，展示了如何在 RISC-V 架构下使用 LR/SC 指令和 fence 指令来实现 Shenandoah GC 的读写屏障：

import sun.misc.Unsafe;

public class ShenandoahBarrierSetRISCV {

    private static final Unsafe UNSAFE = UnsafeUtils.getUnsafe(); // 获取 Unsafe 实例
    private static final long FORWARDING_POINTER_MASK = 1L << 63; // 转发指针掩码

    // 读屏障
    public static Object load_reference_barrier(Object obj, long offset) {
        Object ref = UNSAFE.getObject(obj, offset);
        if (isForwarded(ref)) {
            ref = forward(ref);
            UNSAFE.putObject(obj, offset, ref);
        }
        return ref;
    }

    // 写屏障 (pre-write)
    public static void pre_write_reference_barrier(Object obj, long offset, Object value) {
        if (ShenandoahPhase.isConcurrentMarking()) {
            ShenandoahSATB.mark(obj);
        }
    }

    // 写屏障 (post-write) - RISC-V 不需要 post-write 屏障
    public static void post_write_reference_barrier(Object obj, long offset, Object value) {
        // No-op for RISC-V
    }

    // 检查对象是否被转发
    private static boolean isForwarded(Object obj) {
        if (obj == null) return false;
        long header = UNSAFE.getLong(obj, 0);
        return (header & FORWARDING_POINTER_MASK) != 0;
    }

    // 获取转发后的对象
    private static Object forward(Object obj) {
        long header;
        long newAddress;

        do {
            header = UNSAFE.getLong(obj, 0);
            newAddress = header & ~FORWARDING_POINTER_MASK;

            // 内存屏障：确保 header 读取是最新的
            // RISC-V: fence r, rw
            UNSAFE.loadFence(); // 使用 Unsafe 的 loadFence() 方法，它会编译成对应的 fence 指令

        } while ((header & FORWARDING_POINTER_MASK) == 0);

        return UNSAFE.getObject(newAddress);
    }

    // CAS 设置转发指针
    public static boolean cas_set_forwarding_pointer(Object obj, long expectedHeader, long newObjectAddress) {
        long newHeader = newObjectAddress | FORWARDING_POINTER_MASK;
        boolean success = UNSAFE.compareAndSwapLong(obj, 0, expectedHeader, newHeader);

        if (success) {
            // 内存屏障：确保转发指针的可见性
            // RISC-V: fence w,r
            UNSAFE.storeFence(); // 使用 Unsafe 的 storeFence() 方法
        }
        return success;
    }

    // SATB 标记 (示例，实际实现可能更复杂)
    static class ShenandoahSATB {
        static void mark(Object obj) {
            if (obj != null) {
                // 将对象加入 SATB 队列，需要使用原子操作
                SATBQueue.enqueue(obj);
            }
        }
    }

    // SATB 队列 (示例，需要考虑无锁实现)
    static class SATBQueue {
        static void enqueue(Object obj) {
            // 实现无锁队列的入队操作，需要使用 CAS 和内存屏障
            // 例如，可以使用 ConcurrentLinkedQueue，或者自己实现一个基于 LR/SC 的无锁队列
            // 这里仅为示例，不提供具体实现
        }
    }

    // Unsafe 工具类 (简化 Unsafe 的获取)
    static class UnsafeUtils {
        private static Unsafe theUnsafe;

        static {
            try {
                java.lang.reflect.Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
                f.setAccessible(true);
                theUnsafe = (Unsafe) f.get(null);
            } catch (Exception e) {
                throw new RuntimeException(e);
            }
        }

        public static Unsafe getUnsafe() {
            return theUnsafe;
        }
    }

    // ShenandoahPhase (模拟，实际实现更复杂)
    static class ShenandoahPhase {
        static boolean isConcurrentMarking() {
            // 模拟并发标记阶段
            return true;
        }
    }
}

在这个代码示例中，我们使用了 Unsafe 类来执行底层的内存操作。Unsafe.compareAndSwapLong 方法会使用 LR/SC 指令来实现 CAS 操作。Unsafe.loadFence() 和 Unsafe.storeFence() 分别对应 RISC-V 的 fence r,rw 和 fence w,r 指令。

总结

今天，我们深入探讨了 JVM Shenandoah GC 在 RISC-V 架构下如何使用 LR/SC 原子指令来实现内存屏障。我们讨论了 Shenandoah GC 的屏障机制、RISC-V 的内存模型和原子操作，以及 ShenandoahBarrierSetRISCV 类的一些关键方法的实现。通过显式地使用原子指令和内存屏障指令，我们可以保证 Shenandoah GC 在 RISC-V 平台上并发执行的正确性。

进一步的思考和优化

• 性能优化: 虽然我们已经保证了并发的正确性，但是性能仍然是一个重要的考虑因素。可以尝试使用不同的内存屏障指令，并进行性能测试，以找到最佳的配置。
• 无锁数据结构: 在 SATBQueue 的实现中，可以尝试使用更加高效的无锁数据结构，例如基于 CAS 的链表或数组。
• 编译器优化: 了解 RISC-V 编译器的优化策略，可以帮助我们编写更加高效的代码。

理解这些底层机制对于优化 JVM 垃圾收集器在 RISC-V 等架构上的性能至关重要。希望今天的讲解对大家有所帮助！