JVM之记忆集和卡表

当我们进行young gc时，我们的gc roots除了常见的栈引用、静态变量、常量、锁对象、class对象这些常见的之外，如果老年代有对象引用了我们的新生代对象，那么老年代的对象也应该加入gc roots的范围中，但是如果每次进行young gc我们都需要扫描一次老年代的话，那我们进行垃圾回收的代价实在是太大了，因此我们引入了一种叫做记忆集的抽象数据结构来记录这种引用关系。

什么是记忆集?

记忆集是一种用于记录从非收集区域指向收集区域的指针集合的数据结构。

如果我们不考虑效率和成本问题，我们可以用一个数组存储所有有指针指向新生代的老年代对象。但是如果这样的话我们维护成本就很好，打个比方，假如所有的老年代对象都有指针指向了新生代，那么我们需要维护整个老年代大小的记忆集，毫无疑问这种方法是不可取的。因此我们引入了卡表的数据结构

什么是卡表？

记忆集是我们针对于跨代引用问题提出的思想，而卡表则是针对于该种思想的具体实现。（可以理解为记忆集是结构，卡表是实现类）

在hotspot虚拟机中，卡表是一个字节数组，数组的每一项对应着内存中的某一块连续地址的区域，如果该区域中有引用指向了待回收区域的对象，卡表数组对应的元素将被置为1，没有则置为0；下图为卡表的一个实现，某块内存的地址向右移动9位(相当于除以512)定位到一个卡表元素，也就是说，内存中每512字节的连续区域会被定位到同一片卡表区域，如果卡表对应元素为1则代表该512个字节所在区域中有指向的指针。

CARD_TABLE [this address >> 9] = 0;

写屏障(Write Barrier)

我们每次对引用进行改变时，我们在程序中并没有手动去维护卡表的信息，那么卡表信息的维护到底是如何进行的呢，这就依赖于我们的写屏障功能。

写屏障可以理解为对于我们引用类型字段复制的AOP操作。在赋前的部分的写屏障叫作写前屏障（Pre-Write Barrier），在赋值后的部分的写屏障叫作写后屏障（PostWrite Barrier）。

void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {
// 引用字段赋值奥做
*field = new_value;
// 写后屏障，在这里完成卡表状态更新
post_write_barrier(field, new_value);
}

G1的记忆集

上述的卡表机制基本上适用于CMS垃圾回收器，因为CMS垃圾回收器只需要在young gc时维护老年代对新生代的引用即可，但是G1垃圾回收器不一样，因为G1垃圾回收器是基于分区模型的，所以每一个Region需要知道有哪些region的引用指向了它，并且这些region是不是本次垃圾回收区域的一部分。因此G1垃圾回收器不能简单的只维护一个卡表(卡表只能简单的知道某块内存区域有没有引用收集区域的对象，但是不能知道到底是谁引用了自己)，所以在G1垃圾回收器的记忆集的实现实际上是基于哈希表的，key代表的是其他region的起始地址，value是一集合，里面存放了对应区域的卡表的索引，因此G1的region能够通过记忆集知道，当前是哪个region有引用指向了它，并且能知道是哪块区域存在指针指向。

但是大家应该能注意到，每个region都维护一个记忆集，内存占用量肯定很大，这也就是为什么G1垃圾回收器比传统的其他垃圾回收器要有更高的内存占用。据统计G1至少要耗费大约10%-20%的Java堆空间lai’wei’hu收集器的工作。