Shenandoah GC算法

概述

最早由Red Hat公司发起，目标是利用现代多核CPU的优势，减少大堆内存在GC时产生的停顿时间。随OpenJDK 12一起发布，暂停时间不依赖于堆的大小；这意味着无论堆的大小如何，暂停时间都是差不多的。

Shenandoah最初的目标是把GC停顿时间降到毫秒级，并且将对内存的支持扩展到太字节级别。为降低停顿时间，回收器需要使用更多的线程来并发处理回收任务，而要在降低停顿时间的同时能够支持更大的堆空间，回收器对CPU的多核处理能力提出更高的要求。

支持的特性：

• 解释器
• C1屏障
• C2屏障
• 引用
• JNI临界区域
• System.gc()

策略

Shenandoah GC策略

GC策略决定Shenandoah何时启动GC以及在GC时回收哪些分区。

算法

Shenandoah为了更好地管理内存，实现4类GC算法：

1. 正常回收算法（Normal GC）：GC的过程通常按照初始标记、并发标记、再标记、并发转移、结束转移的步骤执行
2. 降级回收算法（Degenerated GC）：在GC过程中，如果遇到内存分配失败，将进入降级回收。降级回收实质上是在STW中进行的并行回收
3. 全回收算法（Full GC）：如果在降级回收中再次遇到内存分配失败的情况，将进入全回收。和G1的并行FGC非常类似。
4. 遍历回收算法（Traversal GC）：GC过程按照初始遍历、并发遍历、预清理和结束遍历的步骤执行。

降级回收算法和并行FGC类似，都是在STW中进行的。它和FGC最大的区别就是降级回收会重用当前已经并发执行的标记、转移或者重定位的信息，从当前GC失败的地方继续向下执行。

正常回收

Shenandoah中正常回收有两种模式：一般模式和优化模式。区别在于是否在标记时执行重定位，在标记的过程中执行重定位，则称为优化模式，否则称为一般模式。可通过参数ShenandoahUpdateRefsEarly控制，可能值为off/false，表示GC执行优化模式；on/true/adaptive，表示执行一般模式。

一般模式GC步骤：

• 初始标记：Init Mark，从根集合出发，标记根集合所有引用的对象，这些对象作为第二步并发标记的出发点。会触发STW
• 并发标记：Concurrent Marking，以第一步标记的对象作为出发点，开始并发地标记对象
• 预清理：在进入再标记阶段之前，先处理引用对象，把仍然活跃的引用对象重新激活，不进行真正的GC。在该阶段是并发执行的，但是只有一个并发工作线程执行预清理
• 再标记：在该阶段要做3件事：终止标记、计算回收集、转移根集合直接的引用对象。会触发STW
• 清理：再标记结束后，部分分区可能已经没有任何活跃对象，这些分区就可以被回收
• 并发转移：Concurrent Evacuation，根据转移集，对所有在转移集中的活跃对象进行转移
• 初始重定位：Init Update Refs，初始重定位将根据SATB算法重置分区中对象分配的起始内存地址位置。会触发STW
• 并发重定位：遍历不属于回收集合中的分区的对象，根据brook pointer更新对象的引用指针
• 结束重定位：遍历根集合中所有引用的对象，更新对象的引用指针。会触发STW
• 再清理：因回收集合中对象全部转移完成，所以可以释放空间。

整个GC活动图：

优化模式GC的步骤：

• 初始标记：和一般模式中初始标记相同
• 并发标记：以第一步标记的对象作为出发点，开始并发地标记对象，注意在这一步中首先判断对象是否需要重定位，如果需要，则进行重定位
• 预清理：和一般模式中预清理相同
• 再标记：在该阶段主要做4件事，分别为更新根集合中所有对象的引用、终止标记、计算回收集、转移根集合直接的引用对象。在STW中进行
• 清理：和一般模式中清理相同
• 并发转移：和一般模式中并发转移相同
• 结束转移：设置转移结束标记，重置TLAB等信息。在STW中进行

Shenandoah中的优化模式和ZGC的GC过程基本类似，把标记阶段和重定位阶段合并。正常回收在运行的过程中，应用程序和GC线程都可能需要分配内存空间，也都有可能遇到内存不足导致分配失败的情况，此时正常回收将进入降级回收状态，如果在降级回收时再遇到内存不足，将进入FGC状态。

正常回收、降级回收和FGC交互图：

遍历回收

Shenandoah遍历回收就是把并发标记、并发转移和并发重定位合并到一个阶段。

Shenandoah遍历回收的步骤：

• 初始遍历：初始遍历待回收集合，从根集合出发，标记根集合所用引用的对象，这些对象作为第二步并发标记的出发点。会触发STW
• 并发遍历：根据第一步标记的对象作为出发点，开始并发地标记对象
• 结束遍历：该阶段主要做两件事，分别为标记SATB队列中新增的引用对象、终止标记。会触发STW
• 清理：清理可回收的分区

遍历回收算法，思路简单但实现复杂。需要解决两个问题：

1. 如何选择带回收的分区？在进入优化回收时，第一次GC还没有足够的信息表明分区对象的存活情况，所以需要在下一次GC时才能选择哪些分区能够被回收。
2. 如何保持一致性？主要有3种一致性问题：遍历一致性、数据一致性和重定位一致性。
   • 遍历一致性：如何在遍历时正确地处理对象关系图的变化？
   • 数据一致性：如何保证读的时候总是访问最新的数据？如何保证写的时候能访问到正确的对象？
   • 重定位一致性：如何避免一般的成员变量更新和重定位成员变量更新的竞争？

Shenandoah中解决一致性问题的方法到也比较简单。通过执行顺序的不同来保证一致性。具体来说在标记时，如果对象需要更新引用，则先更新引用，如果没有引用更新，则判断是否需要转移，如果需要转移则转移，最后才能标记对象。

延伸

对比G1、ZGC

G1、ZGC和Shenandoah的异同点

在GC时非常类似，都实现并发垃圾标记、并发转移、并发重定位、压缩堆空间。Shenandoah更加类似于G1，把G1中的并行转移变成并发转移。

ZGC并发的基础是地址多视图映射。

Shenandoah并发的基础是在对象头增加一个额外数据Brook pointer，在实现读写屏障时通过Brook pointer访问对象。

参考

• 新一代垃圾回收器ZGC设计与实现