Java中的JVM卡表（Card Table）与写屏障（Write Barrier）详解

1. 知识背景
在分代垃圾回收机制中，年轻代（Young Generation）的垃圾回收（Minor GC）频率远高于老年代（Old Generation）。但存在一个问题：年轻代中的对象可能被老年代对象引用。为了找出所有存活对象，理论上需要扫描整个老年代，但这会大幅降低Minor GC效率。

2. 问题核心
如何高效识别老年代对象对年轻代对象的引用，避免全堆扫描？

3. 卡表技术原理

• 卡表结构：一个字节数组，每个元素对应堆内存中一块特定大小的内存区域（通常512字节），称为"卡页"
• 标记机制：当卡页内的对象存在跨代引用时，对应卡表元素被标记为"脏"（Dirty）
• 示例：卡表索引0对应地址0-511字节，索引1对应512-1023字节...

4. 写屏障实现
写屏障是在对象字段赋值操作前后插入的特定指令，类似于AOP的拦截器：

// 写前屏障伪代码
void writeBarrier(Object obj, Field field, Object newValue) {
    if (obj在老年代 && newValue在年轻代) {
        // 标记对应卡表项为脏
        int cardIndex = calculateIndex(obj);
        cardTable[cardIndex] = DIRTY;
    }
    // 执行实际赋值操作
    obj.field = newValue;
}

5. 具体工作流程

1. 写操作拦截：当程序执行"objA.field = objB"时，写屏障被触发
2. 条件判断：检查赋值双方的内存区域
3. 脏标记：若objA在老年代且objB在年轻代，标记objA所在卡页对应的卡表项
4. 垃圾回收优化：Minor GC时只需扫描被标记的卡页，而非整个老年代

6. 技术细节

• 精度控制：卡表标记的是卡页而非具体对象，可能包含无关对象（牺牲精度换效率）
• 多线程处理：采用CAS操作保证并发安全
• 伪共享问题：相邻卡表项可能位于同一缓存行，需通过填充解决

7. 实际应用示例
假设老年代对象OldObj引用新创建的对象NewObj：

OldObj.ref = NewObj; // 触发写屏障

此时OldObj所在卡页（如地址2048-2559字节）对应的卡表项被标记。下次Minor GC时，只需扫描该512字节区域内的对象。

8. 性能影响分析

• 优点：将Minor GC的时间复杂度从O(整个堆)降低到O(脏卡页数量)
• 代价：每次写操作增加约10%的性能开销（现代JVM通过优化已大幅降低）

这种机制完美平衡了赋值操作开销与垃圾回收效率，是分代垃圾回收能够高效运行的关键技术支撑。