JVM工作原理与实战(四十一)：ShenandoahGC原理

本文主要是介绍JVM工作原理与实战(四十一)：ShenandoahGC原理，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

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前言

一、ShenandoahGC介绍

二、ShenandoahGC 1.0版本

三、ShenandoahGC 2.0版本

四、ShenandoahGC执行流程

总结

前言

JVM作为Java程序的运行环境，其负责解释和执行字节码，管理内存，确保安全，支持多线程和提供性能监控工具，以及确保程序的跨平台运行。本文主要介绍了ShenandoahGC、ShenandoahGC 1.0版本、ShenandoahGC 2.0版本、ShenandoahGC执行流程等内容。

一、ShenandoahGC介绍

ShenandoahGC与ZGC（Z垃圾收集器）在设计上存在着显著的差异。相较于ZGC的全新开发，ShenandoahGC在很大程度上是基于G1垃圾收集器的源代码进行改造的。因此，在算法选择、数据结构定义等多个方面，ShenandoahGC与G1展现出了很高的相似性。

ShenandoahGC在区域划分上沿用了G1的设计理念，确保了内存管理的有效性和高效性。
ShenandoahGC并未采用着色指针技术，而是通过优化对象头部的设计来实现并发转移过程。这种设计策略不仅简化了实现过程，同时也确保了垃圾收集器在高并发环境下的稳定运行。
ShenandoahGC目前存在两个主要版本：1.0版本和2.0版本。其中，1.0版本被集成在JDK8和JDK11中，而自后续版本的JDK起，均采用了更为先进和稳定的2.0版本。这种版本迭代不仅反映了技术的不断进步，也确保了ShenandoahGC能够持续适应和满足不断变化的应用需求。

二、ShenandoahGC 1.0版本

在ShenandoahGC的1.0版本中，为了支持其并发转移机制，每个对象的前8个字节被扩展，增加了一个前向指针（Forwarding Pointer）。这个前向指针的作用是指向转移之后的对象；如果转移尚未完成，它将指向对象本身。

在转移阶段进行时，转移前的对象和转移后的对象会同时存在于内存中。当应用程序线程尝试访问这些数据时，ShenandoahGC会利用读前屏障（Read Barrier）机制，通过前向指针定位到转移后的对象，并读取该对象的数据。

对于写入操作，ShenandoahGC采用了写前屏障（Write Barrier）。在写入数据前，写前屏障会检查对象头部的Mark Word中的GC状态。如果GC状态为0，表示当前没有垃圾回收过程正在进行，线程可以直接进行写入操作。如果GC状态不为0，则根据状态值确定当前垃圾回收的具体阶段，并可能要求用户线程执行与垃圾回收相关的任务。

然而，1.0版本的设计也存在一些显著的缺点：

内存占用增加：由于每个对象都需要额外的8个字节来存储前向指针，这导致整体对象内存占用显著增加，通常会增加5%到10%的空间开销。
读屏障性能开销：在读前屏障中加入了复杂的指令处理逻辑，这可能会增加处理器的负担，从而影响应用程序的整体性能。

三、ShenandoahGC 2.0版本

为了解决这些问题，ShenandoahGC的2.0版本对前向指针的位置进行了优化，仅在转移阶段将其临时放入Mark Word中，从而减少了内存占用和读屏障的性能开销。这种改进使得ShenandoahGC在保持高效垃圾收集的同时，也更好地适应了不同的应用场景。

四、ShenandoahGC执行流程

初始标记（STW）阶段：在这一阶段，所有的用户线程都会被暂停。ShenandoahGC会标记所有由Gc Roots直接引用的对象为存活状态。由于此阶段涉及的对象数量相对较少，因此造成的停顿时间通常非常短暂，从而最大限度地减少了应用程序的暂停时间。
并发标记阶段：此阶段是与用户线程并发执行的，即垃圾收集器与用户线程同时运行。在这个阶段，ShenandoahGC会遍历堆上的所有对象，通过跟踪对象的引用关系，标记出所有可达的存活对象。为了加速这一过程，用户线程也会协助进行对象的标记工作。
标记结束（STW）阶段：当并发标记阶段完成后，会进入另一个短暂的STW事件。这一阶段主要用于进行一些整理性的工作，例如处理那些在并发标记阶段未被标记的对象（即被认定为垃圾的对象），并为下一个阶段（并发转移）做好准备。
并发转移阶段：此阶段同样是与用户线程并发执行的。在这个阶段，ShenandoahGC会将标记为存活的对象从旧的内存区域转移到新的内存区域中。这样做的好处是可以减少内存碎片，并提高未来垃圾收集的效率。
并发重映射阶段：最后一个阶段是并发重映射。在这个阶段，ShenandoahGC会遍历所有的引用，将那些原本指向旧对象的引用更新为指向新对象。这样做可以确保应用程序在继续执行时，能够正确地访问到已经被移动的对象。

通过上述五个阶段的协同工作，ShenandoahGC能够在保持低延迟的同时，有效地管理内存并进行垃圾回收。

并发转移阶段的并发问题：

在并发转移阶段，ShenandoahGC面临一个关键的并发问题。当用户线程协助进行对象转移的同时，ShenandoahGC线程也可能发现同一个对象需要被复制。在这种情况下，为了确保数据的一致性和完整性，ShenandoahGC会尝试使用类似比较并交换（CAS, Compare-And-Swap）的机制来写入前向指针。CAS是一种原子操作，它允许线程在写入共享数据之前先检查该数据的当前值。只有当当前值与预期值相匹配时，写入操作才会执行。这确保了只有一个线程能够成功修改前向指针，从而避免了并发冲突。如果CAS操作失败，即当前值与预期值不匹配，那么执行CAS操作的线程会放弃当前的转移操作，并允许其他线程尝试执行。