Shenandoah GC：一個來自JDK12的全新并發壓縮垃圾回收器

是不是才聽說了JDK11的ZGC，并且還沒搞懂？不好意思，OpenJDK12馬不停蹄的帶來了Shenandoah GC。

概述

JDK12新增的一個名為Shenandoah的GC算法，它的evacuation階段工作能通過與正在運行中Java工作線程同時進行（即并發，concurrent），從而減少GC的停頓時間。

Shenandoah的停頓時間和堆的大小沒有任何關系，這就意味著無論你的堆是200MB，2GB還是200GB，停頓時間是一樣的。

如上圖所示，Shenandoah GC每個GC周期由2個STW（Stop The World）階段和2個并發階段組成。在初始化標記階段，掃描root集合的時候會STW。然后并發標記階段，Shenandoah GC和Java工作線程一起運行，最后，在最終標記階段，又會STW，然后執行一個并發evacuation階段。

Root集合包括：thread local variables, references embedded in generated code, interned Strings, references from classloaders (e.g. static final references), JNI references, JVMTI references.

深入剖析

Shenandoah是一個基于Region設計的垃圾收集器，這點和G1類似，它把整個堆當作Region集合來維護。但是，Shenandoah不需要remember set或者card table來記錄跨region引用。?
其中一個原因是（無條件）card mark可能引起false sharing，而Brooks pointer分散在每個對象頭上，比較不容易引起false sharing：

一個常規的Shenandoah GC周期大概是這樣的（跟G1也有點相似）:

GC日志如下：

GC(3)?Pause?Init?Mark?0.771msGC(3)?Concurrent?marking?76480M->77212M(102400M)?633.213msGC(3)?Pause?Final?Mark?1.821msGC(3)?Concurrent?cleanup?77224M->66592M(102400M)?3.112msGC(3)?Concurrent?evacuation?66592M->75640M(102400M)?405.312msGC(3)?Pause?Init?Update?Refs?0.084msGC(3)?Concurrent?update?references??75700M->76424M(102400M)?354.341msGC(3)?Pause?Final?Update?Refs?0.409msGC(3)?Concurrent?cleanup?76244M->56620M(102400M)?12.242ms

每個階段要做的事情如下：

Init Mark?并發標記的初始化階段，它為并發標記準備堆和應用線程，然后掃描root集合。這是整個GC生命周期第一次停頓，這個階段主要工作是root集合掃描，所以停頓時間主要取決于root集合大小。

Concurrent Marking?貫穿整個堆，以root集合為起點，跟蹤可達的所有對象。 這個階段和應用程序一起運行，即并發（concurrent）。這個階段的持續時間主要取決于存活對象的數量，以及堆中對象圖的結構。由于這個階段，應用依然可以分配新的數據，所以在并發標記階段，堆占用率會上升。

Final Mark?清空所有待處理的標記/更新隊列，重新掃描root集合，結束并發標記。. 這個階段還會搞明白需要被清理（evacuated）的region（即垃圾收集集合），并且通常為下一階段做準備。最終標記是整個GC周期的第二個停頓階段，這個階段的部分工作能在并發預清理階段完成，這個階段最耗時的還是清空隊列和掃描root集合。

Concurrent Cleanup?回收即時垃圾區域 -- 這些區域是指并發標記后，探測不到任何存活的對象。

Concurrent Evacuation?從垃圾收集集合中拷貝存活的對到其他的region中，這是有別于OpenJDK其他GC主要的不同點。這個階段能再次和應用一起運行，所以應用依然可以繼續分配內存，這個階段持續時間主要取決于選中的垃圾收集集合大小（比如整個堆劃分128個region，如果有16個region被選中，其耗時肯定超過8個region被選中）。

Init Update Refs?初始化更新引用階段，它除了確保所有GC線程和應用線程已經完成并發Evacuation階段，以及為下一階段GC做準備以外，其他什么都沒有做。這是整個GC周期中，第三次停頓，也是時間最短的一次。

Concurrent Update References?再次遍歷整個堆，更新那些在并發evacuation階段被移動的對象的引用。這也是有別于OpenJDK其他GC主要的不同，這個階段持續時間主要取決于堆中對象的數量，和對象圖結構無關，因為這個過程是線性掃描堆。這個階段是和應用一起并發運行的。

Final Update Refs?通過再次更新現有的root集合完成更新引用階段，它也會回收收集集合中的region，因為現在的堆已經沒有對這些region中的對象的引用。

這是整個GC周期最后一個階段，它的持續時間主要取決于root集合的大小。

Concurrent Cleanup?回收那些現在沒有任何引用的Region集合。

目標

Shenandoah不是一個要一統天下的GC，有一些其他的吞吐量優先，或者內存占用優先的GC算法，它們并不是把響應性放在第一位（即不是主要考慮縮短停頓時間）。

Shenandoah是一個對那些更看重響應性和可預測短暫停頓的應用來說，更合適的GC算法。它的目標不是要解決所有JVM的停頓問題，由于GC之外的其他原因（例如到達安全點時間（TTSP--Time To Safe Point）問題）而暫停時間超出了此JEP的范圍。

現代服務器比以前擁有更多的內存和處理器，SLA應用需要保證RP在10～500ms。為了達到
最苛刻的目標（保證RP在10ms以內），我們需要GC的算法足夠高效，允許程序在可用內存中運行，并且經過優化后，永遠不會讓正在運行的程序的停頓時間超過5毫秒（a handful of milliseconds，一只手就5根手指頭，所以是5ms）。

Shenandoah就是這樣一個OpenJDK為更近這個目標而設計的開源、低停頓時間的垃圾回收器。

替代方案

1. Zing/Azul是一個沒有停頓的垃圾收集器，但是不會貢獻給OpenJDK。

2. 基于colored pointers設計的ZGC也是一個擁有很低停頓時間的垃圾收集器，Shenandoah期望能與之一戰。

3. G1很多工作都是并行或者并發的，但是evacuation階段不能并發執行。

4. CMS能并發標記，但是它執行年輕代拷貝時，需要STW，并且不會壓縮老年代，這就會導致花費更多時間來管理老年代中的可用空間以及碎片問題。

使用

這還是一個體驗功能，需要增加-XX:+UnlockExperimentalVMOptions參數才能開啟Shenandoah GC：

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseShenandoahGC

常規測試

RedHat已經做了大量的測試，OpenJDK也為Shenandoah開發了很多測試用例。而且從Fedora 24開始Shenandoah在Fedora中隨著JDK一起發布，并在Rhel7.4中作為技術預覽. 通過-XX:+UseShenandoahGC運行標準的OpenJDK完全足夠。

壓力測試

關于CMS，G1，ParallelOld，Shenandoah的延遲測試對比，如下圖所示：