跨代引用

在說記憶集和卡表之前，先給大家介紹一下跨代引用的問題。

假如要現(xiàn)在進(jìn)行一次只局限于新生代區(qū)域內(nèi)的收集(Minor GC)，但新生代的實(shí)例對(duì)象1在老年代中被引用，為了找出該區(qū)域(新生代)中所有的存活對(duì)象，不得不在固定的GC Roots之外，再額外遍歷整個(gè)老年代中所有對(duì)象來確?？蛇_(dá)性分析結(jié)果的正確性，反過來也是一樣。遍歷整個(gè)老年代所有對(duì)象的方案雖然理論上可行，但無疑會(huì)為內(nèi)存回收帶來很大的性能負(fù)擔(dān)。

事實(shí)上并不只是新生代、老年代之間才有跨代引用的問題，所有涉及部分區(qū)域收集（Partial GC)行為的垃圾收集器，典型的如G1、ZGC和Shenandoah收集器，都會(huì)面臨相同的問題。

解決跨代引用

首先，跨代引用相對(duì)于同代引用來說僅占極少數(shù)。原因是跨代引用的對(duì)象應(yīng)該傾向于同時(shí)生存或者同時(shí)死亡的（舉個(gè)：如果某個(gè)新生代對(duì)象存在跨代引用，由于老年代對(duì)象難以消亡，該引用會(huì)使得新生代對(duì)象在收集時(shí)同樣得以存活，進(jìn)而在年齡增長(zhǎng)之后晉升到老年代中，這時(shí)跨代引用也隨即被消除了）。

依據(jù)上面說所，就不應(yīng)再為了少量的跨代引用去掃描整個(gè)老年代，也不必浪費(fèi)空間專門記錄每一個(gè)對(duì)象是否存在及存在哪些跨代引用，只需在新生代上建立一個(gè)全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（該結(jié)構(gòu)被稱為“記憶集”，Remembered Set)，這個(gè)結(jié)構(gòu)把老年代劃分成若干小塊，標(biāo)識(shí)出老年代的哪一塊內(nèi)存會(huì)存在跨代引用。此后當(dāng)發(fā)生Minor GC時(shí)，只有包含了跨代引用的小塊內(nèi)存里的對(duì)象才會(huì)被加入到GCRoots進(jìn)行掃描。雖然這種方法需要在對(duì)象改變引用關(guān)系(如將自己或者某個(gè)屬性賦值)時(shí)維護(hù)記錄數(shù)據(jù)的正確性，會(huì)增加一些運(yùn)行時(shí)的開銷，但比起收集時(shí)掃描整個(gè)老年代來說仍然是劃算的。

下面就來介紹一下這個(gè)全局的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)記憶集。

記憶集

記憶集是一種用于記錄從非收集區(qū)域指向收集區(qū)域的指針集合的抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果我們不考慮效率和成本的話，最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)可以用非收集區(qū)域中所有含跨代引用的對(duì)象數(shù)組來實(shí)現(xiàn)這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如下面代碼所示:

//以對(duì)象指針來實(shí)現(xiàn)記憶集的偽代碼
Class RememberedSet {
	Object[] set[OBJECT_INTERGENERATIONAL_REFERENCE_SIZE]; 
}

這種記錄全部含跨代引用對(duì)象的實(shí)現(xiàn)方案，無論是空間占用還是維護(hù)成本都相當(dāng)高昂。而在垃圾收集的場(chǎng)景中，收集器只需要通過記憶集判斷出某一塊非收集區(qū)域是否存在有指向了收集區(qū)域的指針就可以了，并不需要了解這些跨代指針的全部細(xì)節(jié)。那設(shè)計(jì)者在實(shí)現(xiàn)記憶集的時(shí)候，便可以選擇更為粗獷的記錄粒度來節(jié)省記憶集的存儲(chǔ)和維護(hù)成本。下面列舉了一些可供選擇（當(dāng)然也可以選擇這個(gè)范圍以外的）的記錄精度：

• 字長(zhǎng)精度：每個(gè)記錄精確到一個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)（就是處理器的尋址位數(shù)，如常見的32位或64位，這個(gè) 精度決定了機(jī)器訪問物理內(nèi)存地址的指針長(zhǎng)度），該字包含跨代指針。
• 對(duì)象精度：每個(gè)記錄精確到一個(gè)對(duì)象，該對(duì)象里有字段含有跨代指針。
• 卡精度：每個(gè)記錄精確到一塊內(nèi)存區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)有對(duì)象含有跨代指針。

上面的，第三種“卡精度”所指的是用一種稱為“卡表”(Card Table)的方式去實(shí)現(xiàn)記憶集，這也是目前最常用的記憶集的實(shí)現(xiàn)形式。

卡表和記憶集又有什么關(guān)系呢？

前面介紹記憶集的時(shí)候提到 記憶集其實(shí)是一種"抽象”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，抽象的意思是只定義了記憶集的行為意圖，并沒有定義其行為的具體實(shí)現(xiàn)?？ū砭褪怯洃浖囊环N具體實(shí)現(xiàn)，它定義了記憶集的記錄精度、與堆內(nèi)存的映射關(guān)系等。關(guān)于記憶集與卡表的關(guān)系，可以按照J(rèn)ava中Map與HashMap的關(guān)系來類比理解（即接口和實(shí)現(xiàn)類來的關(guān)系）。

下面來詳細(xì)說一下記憶集的具體實(shí)現(xiàn)卡表

卡表

卡表是使用一個(gè)字節(jié)數(shù)組CARD_TABLE[] 實(shí)現(xiàn)，每個(gè)元素對(duì)應(yīng)其標(biāo)識(shí)的內(nèi)存區(qū)域一塊特定大小的內(nèi)存塊，每個(gè)內(nèi)存塊稱為卡頁，hotspot使用的卡頁是2^9大小 即512字節(jié)。如下圖所示

這樣我們就可以把某個(gè)區(qū)域按照卡頁進(jìn)行劃分，假如我們現(xiàn)在要對(duì)新生代區(qū)域進(jìn)行垃圾回收，那么就可以把老年代區(qū)域看成是一個(gè)卡頁一個(gè)卡頁劃分好的，如下圖所示。

如圖所示，因?yàn)閏ardpage1中存在指向新生代的跨代引用，所以對(duì)應(yīng)卡表的第一個(gè)位置為1，表明該page區(qū)域存在跨代應(yīng)用的對(duì)象。

• 卡表角度：因?yàn)閜age1中存在跨代飲用的對(duì)象，所以卡表對(duì)應(yīng)的第一個(gè)位置記為1，表明page1這個(gè)元素變臟。
• 內(nèi)存回收角度：因?yàn)榭ū淼牡谝粋€(gè)位置為1，表明該page區(qū)域存在跨代應(yīng)用的對(duì)象，垃圾回收的時(shí)候需要掃描該區(qū)域。

一個(gè)卡頁的內(nèi)存中通常包含不止一個(gè)對(duì)象，只要卡頁內(nèi)有一個(gè)(或更多）對(duì)象的字段存在著跨代指針，那就將對(duì)應(yīng)卡表的數(shù)組元素的值標(biāo)識(shí)為1，稱為這個(gè)元素變臟（Dirty)，沒有則標(biāo)識(shí)為0。在垃圾收集發(fā)生時(shí)，只要篩選出卡表中變臟的元素，就能輕易得出哪些卡頁內(nèi)存塊中包含跨代指針，把它們加入GC Roots中一并掃描。這樣就不需要掃描整個(gè)老年代大大減少GC Roots的掃描范圍。 

到此這篇關(guān)于Java 萬字超詳細(xì)講解記憶集和卡表的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java 記憶集和卡表內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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