聊聊ShenandoahGC的Brooks Pointers

序

本文主要研究一下ShenandoahGC的Brooks Pointers

Shenandoah

Shenandoah面向low-pause-time的垃圾收集器，它的GC cycle主要有

• Snapshot-at-the-beginning concurrent mark包括Init Mark(Pause)、Concurrent Mark、Final Mark(Pause)
• Concurrent evacuation(這個階段用到了Brooks Pointers(object version change with additional atomically changed indirection)進行copy)
• Concurrent update references (optional)包括Init update Refs(Pause)、Concurrent update Refs、Final update Refs(Pause)

其中Final Mark或者Final update Refs以後均可能進行Concurrent cleanup，進行垃圾回收，reclaims region

Brooks Pointers

G1 GC在evacuation階段是parallel的，但不是concurrent，ShenandoahGC爲了作到concurrent copy使用了Brooks Pointers。

Rodney A. Brooks在<<Trading Data Space for Reduced Time and Code Space in Real-Time Garbage Collection on Stock Hardware>>這篇論文提出了一種使用forwarding pointer來作到concurrent copy的方案，該方案在全部對象的內存結構上新增一個forwarding pointer，它要麼指向對象本身，要麼指向在to-region的本身的拷貝

其要點以下：

• evacuation的第一步是拷貝from-region的對象到to-region
• evacuation的第二步使用CAS改變from-region的對象的forwarding pointer由本身變爲指向to-region的拷貝對象
• evacuation的第三步就是遍歷heap，更新引用到to-region的拷貝對象

若是在evacuation期間，其餘線程經過舊的引用訪問到了from-region的舊對象，它就須要根據舊對象的forwarding pointer找到to-region的拷貝對象；等全部舊對象的引用都更新完以後，後續就能夠回收from-region的舊對象

示例代碼

concurrent copy

class VersionUpdater<T, V> {
    final AtomicReference<T> ref = ...;
    void writeValue(V value) {
        do {
            T oldObj = ref.get();
            T newObj = copy(oldObj);
            newObj.set(value);
        } while (!ref.compareAndSet(oldObj, newObj));
    }
}

這裏使用do while循環，即先拷貝再進行CAS，若是CAS不成功則繼續嘗試拷貝和CAS

write barriers

stub Write(val, obj, offset) {
    if (evac-in-progress && // in evacuation phase
        in-collection-set(obj) && // target is in from-space
        fwd-ptrs-to-self(obj)) { // no copy yet
        val copy = copy(obj);
        *(copy + offset) = val; // actual write
        if (CAS(fwd-ptr-addr(obj), obj, copy)) {
            return; // success!
        }
    }
    obj = fwd-ptr(obj); // write to actual copy
    *(obj + offset) = val; // actual write
}

在evacuation階段，對from-region的對象的寫操做會觸發該對象的evacuation操做( 若是該對象在to-region尚未copy的話)

evacuation

stub evacuate(obj) {
    if (in-collection-set(obj) && // target is in from-space
        fwd-ptrs-to-self(obj)) { // no copy yet
        copy = copy(obj);
        CAS(fwd-ptr-addr(obj), obj, copy);
    }
}

evacuate先判斷該對象是否在from-region且在to-region尚未copy，若是知足條件則進行拷貝，而後CAS修改舊對象的forwarding pointer指向拷貝對象

小結

• Shenandoah面向low-pause-time的垃圾收集器，它在Concurrent evacuation階段用到了Brooks Pointers(object version change with additional atomically changed indirection)進行copy，以實現concurrent copy
• Rodney A. Brooks在<<Trading Data Space for Reduced Time and Code Space in Real-Time Garbage Collection on Stock Hardware>>這篇論文提出了一種使用forwarding pointer來作到concurrent copy的方案，該方案在全部對象的內存結構上新增一個forwarding pointer，它要麼指向對象本身，要麼指向在to-region的本身的拷貝
• evacuation的第一步是拷貝from-region的對象到to-region；evacuation的第二步使用CAS改變from-region的對象的forwarding pointer由本身變爲指向to-region的拷貝對象；evacuation的第三步就是遍歷heap，更新引用到to-region的拷貝對象

doc

• forwarding pointer
• Shenandoah: A pauseless GC for OpenJDK
• Shenandoah GC: An overview
• Shenandoah GC: Concurrent parallel marking
• Shenandoah GC: Brooks pointers
• devoxx-Nov2017-shenandoah(示例代碼來源於此pdf)