Card Marking

如果 young gc 线程只遍历年轻代内的对象引用，那么老年代到年轻代的跨代引用就会被忽略，被老年代存活对象跨代引用的年轻代对象会被回收，这样就破坏了应用程序的运行。但是如果每次ygc都进行全堆扫描，且ygc次数较频繁，会很慢。在 young gc 时，为了找到跨代引用，通常有这几个方法：

• 当对象引用路径指向老年代时继续遍历老年代对象找到跨代引用。
• 线性地扫描老年代对象，标记跨代引用。
• 从程序开始运行，就使用一个集合记录所有跨代引用的创建，在 young gc 时扫描这个集合里指向年轻代的跨代引用。

前两种方式都需要在 young gc 时去遍历老年代对象，因为老年代存活对象多，工作量太大，jvm 使用的是第三种方式。

首先分析跨代引用如何产生的：对于老年代到年轻代的跨代引用（a->b），产生条件有两种：

1. gc 线程把对象 a 从年轻代移动到了老年代，
2. a 本身是老年代对象，应用线程修改了 a 的引用指向了年轻代的 b。

对于 第一种情况gc 线程本身创建的跨代引用，可以直接由 gc 线程在创建时记录，所以问题就变成了：如何记录应用线程修改对象引用时创建的跨代引用？

在 jvm 中使用分治法，将老年代划分成多个 card（和 linux 内存 page 类似），统称为card table，只要 card 内对象引用被应用线程修改，就把 card 标记为 dirty。然后 young gc 时会扫描老年代中 dirty card对应的内存区域作为 GC roots，记录其中的跨代引用，这种方式被称为Card Marking。

jvm 通过写屏障（write barrier）来实现监控程序线程对引用的修改，并且标记对应 card，写屏障工作方式和代理模式类似，具体来说是通过在引用赋值指令执行时，添加对了 card table 的修改指令。

以最简单的setFoo(Object bar)方法为例：

setFoo(Object bar) {
  this.foo = bar;  
}

jvm 编译的汇编指令如下，第一行是赋值指令，后面几行标记被修改引用所在的 card 为dirty card，即CARD_TABLE[this address >> 9] = 0：

; rsi is 'this' address
; rdx is setter param, reference to bar
; JDK6:
mov    QWORD PTR [rsi+0x20],rdx  ; this.foo = bar
mov    r10,rsi                   ; r10 = rsi = this
shr    r10,0x9                   ; r10 = r10 >> 9;
mov    r11,0x7ebdfcff7f00        ; r11 is base of card table, imagine byte[] CARD_TABLE
mov    BYTE PTR [r11+r10*1],0x0  ; Mark 'this' card as dirty, CARD_TABLE[this address >> 9] = 0

小结

jvm 使用 card marking 的方式，避免了 young gc 时扫描整个老年代存活对象，付出的代价是在每次修改引用时添加额外的汇编指令实现写屏障，和额外的内存来保存 card table，在Hotspot实现是字节数组。