JVM之卡表（Card Table）

咱們知道，JVM在進行垃圾收集時，須要先標記全部可達對象，而後再清除不可達對象，釋放內存空間。那麼，如何快速的找到全部可達對象呢？

最簡單粗暴的實現，就是每次進行垃圾收集時，都對整個堆中的全部對象進行掃描，找到全部存活對象。邏輯是簡單，但性能比較差。

簡單粗暴的實現方式，一般都是不可取的。那JVM是如何實現快速標記可達對象的？

答案是GC Roots。

GC Roots是垃圾收集器尋找可達對象的起點，經過這些起始引用，能夠快速的遍歷出存活對象。GC Roots最多見的是靜態引用和堆棧的局部引用變量。然而，這不是咱們這講的重點：)

現代JVM，堆空間一般被劃分爲新生代和老年代。因爲新生代的垃圾收集一般很頻繁，若是老年代對象引用了新生代的對象，那麼，須要跟蹤從老年代到新生代的全部引用，從而避免每次YGC時掃描整個老年代，減小開銷。

對於HotSpot JVM，使用了卡標記（Card Marking）技術來解決老年代到新生代的引用問題。具體是，使用卡表（Card Table）和寫屏障（Write Barrier）來進行標記並加快對GC Roots的掃描。

卡表（Card Table）

基於卡表（Card Table）的設計，一般將堆空間劃分爲一系列2次冪大小的卡頁（Card Page）。

卡表（Card Table），用於標記卡頁的狀態，每一個卡表項對應一個卡頁。

HotSpot JVM的卡頁（Card Page）大小爲512字節，卡表（Card Table）被實現爲一個簡單的字節數組，即卡表的每一個標記項爲1個字節。

當對一個對象引用進行寫操做時（對象引用改變），寫屏障邏輯將會標記對象所在的卡頁爲dirty。

OpenJDK/Oracle 1.6/1.7/1.8 JVM默認的卡標記簡化邏輯以下：

CARD_TABLE [this address >> 9] = 0;
複製代碼

首先，計算對象引用所在卡頁的卡表索引號。將地址右移9位，至關於用地址除以512（2的9次方）。能夠這麼理解，假設卡表卡頁的起始地址爲0，那麼卡表項0、一、2對應的卡頁起始地址分別爲0、5十二、1024（卡表項索引號乘以卡頁512字節）。

其次，經過卡表索引號，設置對應卡標識爲dirty。

帶來的2個問題

1.無條件寫屏障帶來的性能開銷

每次對引用的更新，不管是否更新了老年代對新生代對象的引用，都會進行一次寫屏障操做。顯然，這會增長一些額外的開銷。可是，與YGC時掃描整個老年代相比較，這個開銷就低得多了。

不過，在高併發環境下，寫屏障又帶來了虛共享（false sharing）問題。

2.高併發下虛共享帶來的性能開銷

在高併發狀況下，頻繁的寫屏障很容易發生虛共享（false sharing），從而帶來性能開銷。

假設CPU緩存行大小爲64字節，因爲一個卡表項佔1個字節，這意味着，64個卡表項將共享同一個緩存行。

HotSpot每一個卡頁爲512字節，那麼一個緩存行將對應64個卡頁一共64*512=32KB。

若是不一樣線程對對象引用的更新操做，剛好位於同一個32KB區域內，這將致使同時更新卡表的同一個緩存行，從而形成緩存行的寫回、無效化或者同步操做，間接影響程序性能。

一個簡單的解決方案，就是不採用無條件的寫屏障，而是先檢查卡表標記，只有當該卡表項未被標記過纔將其標記爲dirty。

這就是JDK 7中引入的解決方法，引入了一個新的JVM參數-XX:+UseCondCardMark，在執行寫屏障以前，先簡單的作一下判斷。若是卡頁已被標識過，則再也不進行標識。

簡單理解以下：

if (CARD_TABLE [this address >> 9] != 0)
  CARD_TABLE [this address >> 9] = 0;
複製代碼

與原來的實現相比，只是簡單的增長了一個判斷操做。

雖然開啓-XX:+UseCondCardMark以後多了一些判斷開銷，可是卻能夠避免在高併發狀況下可能發生的併發寫卡表問題。經過減小併發寫操做，進而避免出現虛共享問題（false sharing）。

也用於CMS GC

CMS在併發標記階段，應用線程和GC線程是併發執行的，所以可能產生新的對象或對象關係發生變化，例如：

• 新生代的對象晉升到老年代；
• 直接在老年代分配對象；
• 老年代對象的引用關係發生變動；
• 等等。

對於這些對象，須要從新標記以防止被遺漏。爲了提升從新標記的效率，併發標記階段會把這些發生變化的對象所在的Card標識爲Dirty，這樣後續階段就只須要掃描這些Dirty Card的對象，從而避免掃描整個老年代。

參見：Java之CMS GC的7個階段

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參考

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ifeve.com/falsesharin…

《深刻拆解 Java 虛擬機》鄭雨迪

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