问题

为什么jvm不用协程实现 gc 呢?

回答
好的,我们来聊聊为什么 JVM 不直接用协程(Coroutines)来实现垃圾回收(GC),而是选择其他更传统的方式。这是一个很有意思的问题,涉及到 JVM 设计的权衡、GC 的本质以及协程的适用范围。

首先,我们得明确一点:JVM 的 GC 并非一成不变,它是一个不断发展和优化的系统。目前主流的 GC 算法,比如 G1、ZGC、Shenandoah 等,都在努力减少 GC 对应用程序性能的影响,其中就包括了“暂停时间”。而协程,以其轻量级、用户态调度等特点,确实能给人一种“或许能让 GC 更平滑”的联想。

但为什么 JVM 没有走这条路呢?原因其实蛮多的,我们一点点拆解:

1. GC 的本质与协程的“弱点”:

GC 的核心是“追踪”和“标记”: 无论是哪种 GC 算法,其核心工作都是要找出不再被程序引用的对象(垃圾),然后回收它们的内存。这个过程需要“扫描”堆内存,从根对象(例如栈上的局部变量、静态变量)出发,沿着引用链一路向下,标记所有可达的对象。
GC 的“全局性”和“一致性”要求: GC 操作需要一个相对“静止”的程序运行环境,至少在扫描和标记阶段,需要保证应用程序的引用关系不会在 GC 过程中发生剧烈变化,否则标记的结果可能是不准确的,导致误回收(dangling pointer)或漏回收(内存泄露)。
协程的“协作”模型 vs. GC 的“强制”模型: 协程的调度是“协作”的,一个协程需要主动让出 CPU 才能让另一个协程运行。这意味着,如果 GC 过程被实现成一个或多个协程,那么这些 GC 协程的运行就需要其他应用程序协程的“配合”。
GC 的“不可中断性”: 想象一下,如果 GC 协程在标记一半时,因为应用程序协程不“让出”CPU,GC 进程就卡在那里了,这是 JVM 无法接受的。GC 必须能够以一种系统性的、可预测的方式完成其工作,而不能依赖于应用程序代码的“善意”协作。

2. JVM GC 的设计哲学:隔离与控制

GC 线程是“独立的”: JVM 的 GC 并不是“嵌入”到应用程序代码中的,而是作为独立的、高优先级的线程来运行的。它们有自己的控制逻辑,可以独立于应用程序线程进行调度和执行。
“StoptheWorld” (STW) 的历史与演进: 早期 GC 算法需要暂停所有应用程序线程(STW),这样 GC 就能在一个稳定的环境中工作。虽然现代 GC(如 G1、ZGC、Shenandoah)极力减少甚至消除了 STW,但它们实现的方式并不是通过让 GC 线程像协程一样“等待”应用程序,而是通过更精细的控制、读写屏障(write barrier)、并发扫描等技术,在应用程序线程正常运行时,GC 线程也能在后台进行一部分工作。
GC 的“强制性”介入: 当 GC 需要执行某个关键操作时(比如收集根对象、更新 GC 元数据),它需要能够“立即”执行,而不是等待应用程序协程“yield”。如果 GC 的执行依赖于应用程序协程的让出,那么 GC 的执行时间就会变得不可预测,甚至可能导致死锁。

3. 协程的“用户态”和 JVM GC 的“内核态”思考

协程的“用户态”调度: 协程通常是在用户空间实现的,由应用程序代码自己管理其状态和切换。这使得协程非常轻量,切换成本低。
JVM GC 的“系统级”任务: 垃圾回收涉及到对整个 JVM 堆内存的访问和管理,这更像是一个“系统级”的任务。JVM 需要对内存进行底层的操作,需要与操作系统的内存管理、线程调度器进行更深层次的交互。
GC 的“状态”和“同步”: GC 的执行过程涉及到大量的状态维护,例如每个对象的 GC 状态(是否被标记、是否是垃圾)、GC 队列、GC 元数据等等。这些状态需要在多线程环境下保持一致性,并且 GC 线程之间、GC 线程和应用程序线程之间也需要进行有效的同步。让 GC 过程完全“用户态”化,并且依赖于协程的协作,可能会让这种底层的、全局的状态管理变得异常复杂且难以保证正确性。

4. 协程的适用场景 vs. GC 的挑战

协程擅长 I/O 密集型任务: 协程之所以流行,很大程度上是因为它能优雅地处理大量的 I/O 操作。当一个协程在等待 I/O 时,它可以主动让出 CPU,让其他协程运行,从而提高并发度。
GC 并非典型的 I/O 密集型: GC 的主要工作是对内存进行遍历、标记、复制、压缩等计算密集型操作。虽然它会访问内存,但并不是像网络 I/O 那样有大量的等待时间。
GC 的“全局锁”需求: 在某些 GC 阶段,可能需要对某些内存区域或者 GC 状态进行排他性的访问,这通常需要一把锁。如果 GC 的各个阶段都由不同的协程负责,并且它们之间需要频繁地获取和释放这些锁,那么协程的低切换成本优势可能会被锁的争用所抵消,甚至引入额外的复杂性。

5. 替代方案的优势

独立的 GC 线程: 拥有独立的、高优先级的 GC 线程,JVM 可以更主动地控制 GC 的执行时机和调度。
精细的同步机制: JVM 使用读写屏障(write barrier)、CAS(CompareandSwap)等底层同步原语,来在应用程序线程正常运行时,精确地记录对象的引用变化,为并发 GC 提供支持。
专门优化的 GC 算法: 针对不同的应用场景,JVM 提供了多种 GC 算法(Serial, Parallel, CMS, G1, ZGC, Shenandoah)。这些算法的设计目标就是如何在可接受的停顿时间内完成内存回收,它们是通过对内存访问模式、对象生命周期等进行深入分析和优化来实现的,而不是寄希望于某种通用的并发模型。

举个例子来说明:

想象一下,GC 线程正在对堆进行标记,它扫描到对象 A,发现 A 指向对象 B。GC 线程需要知道 B 是否已经被标记。如果此时应用程序线程突然修改了 A 的引用,让 A 指向了对象 C,并且 C 已经被标记了。

如果 GC 是 STW 的: 应用程序线程被暂停,GC 线程在稳定的环境下完成标记,问题不大。
如果 GC 是并发的(类似现代 GC):
GC 线程在读取 A 的引用时,会使用一种特殊的机制(例如读写屏障)来“保护”这个引用。
当应用程序线程修改 A 的引用时(A > C),它也需要通过写屏障来通知 GC 线程:“嘿,我改变了一个引用,请注意”。GC 线程会记录这个变化,以便在后续阶段正确处理。
如果 GC 是通过协程实现的: 假设 GC 标记过程是一个 GC 协程。当 GC 协程标记到 A > B 时,它需要知道 B 的状态。如果应用程序协程突然修改了 A 的引用(A > C),如果应用程序协程不主动“让出”CPU,GC 协程就一直拿不到机会去处理这个引用变更,或者它的标记工作可能已经基于过时的信息。为了保证 GC 的正确性,JVM 可能需要引入更复杂的机制来强制应用程序协程在特定时刻让出,或者让 GC 协程能够“打断”应用程序协程,这实际上又回到了某种形式的 STW 或者强制中断,而这恰恰是协程模型试图避免的(协程更侧重于开发者控制的让出)。

总结一下:

JVM 之所以没有用协程来实现 GC,不是因为协程不好,而是因为 GC 的需求与协程的设计模型存在根本性的错配。GC 需要的是一种可控的、低延迟的、在必要时能强制介入的、能够进行全局内存状态管理的系统级任务,而协程更擅长高并发的、I/O 密集型的、由开发者主动控制的协作式并发。

JVM 通过设计独立的 GC 线程、精细的同步机制和优化的 GC 算法,实现了在不依赖于应用程序代码“配合”的前提下,尽量减少 GC 对应用程序性能的影响。用协程来解决 GC 的问题,可能会引入不必要的复杂性,并且难以保证 GC 的正确性和可预测性。

未来,随着协程技术的进一步发展,或者 JVM 内部对并发模型进行更深层次的抽象,我们不能完全排除 GC 实现方式的演变,但至少目前来看,直接用协程实现 GC 并不是一个自然或最优的选择。JVM 的 GC 团队一直在努力,他们通过引入 ZGC、Shenandoah 等低延迟 GC,已经在这条“减少 GC 影响”的道路上取得了巨大的成就,这些成就并非通过引入协程来实现的,而是通过更底层的、更系统化的优化。

网友意见

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gc跟io啥关系?

gc不是cpu密集型操作么?

啥时候成io密集型了

io要么操作网络,要么操作硬盘上的文件

gc时候既不需要网络,也不需要硬盘,几乎是纯内存操作,处理的都是内存

协程/虚拟线程/绿色线程 对这一块影响很小

另外java在诞生的时候,有些平台上(比如solaris)就已经有虚拟线程了,那时候叫做green thread,绿色线程

只是后来觉得不应该对操作系统的线程做包装,所以就没有继续使用下去,而且当时的重点也不在那边,有其他更重要的问题要解决

所以java在诞生的时候,就已经有了类似的技术,只是对gc这一块影响并不大

还有就是,现在gc这一块,明显是原来bea的jrockit团队更强

zgc就是bea的jrockit的per liden做的,shenandoah是red hat做的

都不是hotspot团队做的,所以hotspot的人,对短暂停gc的造诣相对没那么深

然后现在在做的虚拟线程,是ron pressler做的,最早ron pressler是做quasar那个东西的

所以java是很大一块东西,很多特性都是不同的人做的

这些人,如果追溯到早期,都不在sun一家公司里面,所以指望一开始就吃成胖子,并不现实

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