面向多处理器的并行垃圾回收机制的研究

论文摘要

当前,硬件技术的进步已经可以为应用程序提供数G字节的堆空间和普遍的多核并行执行环境。现代的服务器上广泛运行着的多线程应用程序往往拥有数G字节的堆空间,这向JVM和CLR等虚拟执行环境的垃圾回收技术提出了新的挑战。这些面向服务的应用要求以最小的吞吐量代价来获取数G字节堆空间上进行垃圾回收时较短的暂停时间。本文首先介绍了Java垃圾回收的基础研究,分析了影响垃圾回收器效率的主要因素,总结比较了当前多处理器环境下的垃圾回收调度方案,给出了现代服务器上多线程应用程序垃圾回收的目标,包括时间收敛,空间收敛,可扩展性和负载平衡等特性。本文采用猜想和实验证实相结合的方法,给出了应用程序堆空间与垃圾回收作业量的关系。在其他因素等同的条件下,应用程序的堆空间越大,垃圾回收工作的必要性就越低,留给处理器执行应用程序的时间也就越多。本文面向多处理器环境下的多线程应用,借鉴带宽保留调度算法,设计了量入为出的调度模型及其消耗与补充规则。多处理器上面向服务的计算,根据应用需求的不同,可以是时间关键型的,也可以是存储关键的。垃圾回收的效率问题,本质上是存储空间与垃圾回收时间的一个时空关系。基于上述认识,本文提出了基于堆增长的时空补偿调度,综合考虑了实际应用系统中工作负载、存储资源和调度算法三大要素之间的关系。最后,本文给出了并行垃圾回收作业量的时间复杂度上界。基准测试程序集的实际数据表明,该调度有效地利用了多处理器的并行处理能力和空闲处理时间,在很大程度上缩短了应用程序的抖动时间。此外,调度方案还具有良好的可扩展性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的与意义
• 1.2 课题背景
• 1.2.1 垃圾回收概述
• 1.2.2 多处理器垃圾回收的挑战
• 1.2.3 并行垃圾回收的相关研究
• 1.3 论文的主要内容
• 第2章 面向多处理器的并行垃圾回收的基础研究
• 2.1 Java垃圾回收的基础研究
• 2.1.1 Java虚拟机的组织结构
• 2.1.2 Java虚拟机的存储层次
• 2.1.3 Java虚拟机的垃圾回收开销
• 2.1.4 影响垃圾回收器效率的主要因素
• 2.2 当前多处理器上垃圾回收的调度策略
• 2.3 多处理环境下垃圾回收器调度的目标
• 2.4 本章小结
• 第3章 面向多处理器垃圾回收的调度设计与实现
• 3.1 应用程序堆空间与垃圾回收作业量的关系
• 3.1.1 应用程序堆空间与垃圾回收作业量关系的猜想
• 3.1.2 应用程序堆空间与垃圾回收作业量关系的实验证实
• 3.1.3 弹性系数
• 3.2 量入为出调度模型的设计
• 3.2.1 调度模型的设计思想
• 3.2.2 调度模型的消耗与补充规则
• 3.3 基于堆增长的时空补偿调度的设计
• 3.4 基于堆增长的时空补偿调度的实现
• 3.4.1 回收任务的增量化
• 3.4.2 并行回收任务的同步
• 3.4.3 处理器局部数据结构
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于堆增长的时空补偿调度的评测
• 4.1 垃圾回收任务量的时间复杂度分析
• 4.1.1 垃圾回收的初始阶段
• 4.1.2 垃圾回收的标记阶段
• 4.1.3 垃圾回收的清扫阶段
• 4.1.4 垃圾回收的善后阶段
• 4.2 基于堆增长的时空补偿调度的评测
• 4.2.1 调度评测的系统平台
• 4.2.2 调度评测的基准测试
• 4.2.3 基准测试的抖动时间
• 4.2.4 调度的可扩展性测试
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢