G1 中的 SATB

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G1 垃圾收集器中的 SATB

G1（Garbage-First）垃圾收集器是 Java 虚拟机（JVM）中用于管理堆内存的一种高效垃圾收集器。它旨在为具有大量内存和多核处理器的系统提供高吞吐量和低延迟。在 G1 垃圾收集器中，SATB（Snapshot-At-The-Beginning）是一种用于标记阶段的算法，它帮助实现了并发的垃圾收集。

SATB 的工作原理

SATB 的全称是 Snapshot-At-The-Beginning，即“开始时刻快照”。这种算法的核心思想是在标记阶段开始时，对堆中的对象引用关系进行快照，然后在接下来的并发标记阶段中，即使应用程序继续运行并修改了对象的引用关系，垃圾收集器也能够基于这个快照来确定哪些对象是可达的。

标记过程

在 SATB 标记过程中，主要分为以下几个步骤：

  1. 初始标记（Initial Mark）：这个阶段是 STW（Stop-The-World）的，即所有的应用线程都会暂停，垃圾收集器会标记从 GC Roots 直接可达的对象。

  2. 根区域扫描（Root Region Scanning）：在这个阶段，G1 会扫描那些在并发标记阶段可能被应用程序线程访问的区域（Root Regions）。

  3. 并发标记（Concurrent Marking）：在这个阶段，垃圾收集器并发地遍历对象图，标记所有可达的对象。这个过程是并发执行的，不会停止应用程序的运行。

  4. 最终标记（Final Mark）：这是另一个 STW 阶段，在这个阶段中，垃圾收集器处理剩余的 SATB 缓冲区，并且处理那些在并发标记阶段发生变化的引用。

  5. 筛选回收（Evacuation）：在标记完成后，G1 会进行筛选回收，这个阶段也是 STW 的。G1 会根据之前的标记结果，决定哪些区域是可以被清理的，并且执行实际的内存回收。

SATB 的优势

SATB 算法的主要优势在于它允许垃圾收集器在应用程序运行的同时执行大部分的标记工作，这样可以显著减少应用程序的停顿时间。此外，通过在标记开始时捕获对象图的快照，SATB 算法可以确保即使在并发标记过程中应用程序对对象引用进行了修改，最终确定的可达性信息也是准确的。

SATB 的挑战

尽管 SATB 提供了并发标记的能力，但它也带来了一些挑战：

  • 写屏障（Write Barrier）：为了维护在并发标记期间的对象引用变化，需要在对象写操作时使用写屏障来记录这些变化。这可能会对应用程序的性能产生一定的影响。

  • 浮动垃圾（Floating Garbage）：在并发标记阶段，由于应用程序的继续运行，可能会产生一些新的垃圾对象，这些对象在标记开始时是可达的，但在标记结束时已经不再被引用。这部分垃圾被称为浮动垃圾，它们会在下一次垃圾收集时被清理。

  • 资源消耗：并发标记需要额外的资源，如 CPU 和内存，以维护标记数据结构和处理写屏障。

总的来说，SATB 是 G1 垃圾收集器实现高效并发标记的关键技术之一，它通过在标记开始时捕获对象图的快照，使得垃圾收集器能够在应用程序运行的同时进行垃圾标记，从而减少停顿时间，提高系统的响应能力。