Java协程与GC的爱恨情仇 - JVM是如何化解性能危机的？

GC本是好好工作，但协程的加入，却让它被迫卷入了一场复杂的性能考验。不过，JVM 团队也给出了解决方案，化繁为简，让这对“矛盾CP”握手言和。

协程和 GC：从爱到“恨”到底发生了什么？

GC 是如何工作的？

GC（垃圾回收器）的核心任务，是清理掉不再使用的对象，释放内存。但在清理之前，GC 必须完成一个重要步骤：GC Root 枚举，也就是找到程序中所有活跃的引用起点，比如：

• 线程栈帧的局部变量。
• 静态变量（全局引用）。
• JNI 方法中的本地引用。

传统线程中，线程栈是连续的，GC 只需扫描每个线程的栈帧即可搞定。但是，协程的加入让一切变复杂了！

协程的问题在哪？

协程的魅力在于挂起和恢复：你可以暂停一个协程，保存当前状态（包括栈帧），稍后在另一个线程上恢复它。问题是，协程的栈帧可能脱离线程栈：挂起的协程会把栈帧移到堆中（对，放到 GC 负责的地方！）。另外协程是分散保存的，协程的状态可以被调度器和内存存储管理，这让 GC 很难找到所有相关引用。

就像你在图书馆整理书籍（对象），突然有上千个图书管理员（协程）抱着书四处跑，还随手把书藏进书架。这对 GC 来说，简直就是噩梦！

JVM 是怎么样化解协程与 GC 的矛盾的？

JVM 团队展示了一种很巧妙的设计，可以用几个关键词来概括：

1. [断点续传]：精确掌控协程的挂起与恢复

协程可以在任意挂起点暂停，但 JVM 的 Safepoint（安全点）系统可以帮助 GC 实时跟踪这些挂起点的位置，就像你看剧时按下的暂停键。具体实现方式包括协程挂起时，保存当前栈帧到堆，让 GC 继续枚举时可以直接从堆访问。以及Safepoint 确保挂起操作与 GC 同步，让 GC 的枚举总是精准无误。

通俗点讲：JVM 为协程配备了“暂停记录仪”这个神器，无论你在哪里停下，它都能找到你。

2. [分批处理]：避免一次性扫描的压力

面对成千上万的协程栈帧，JVM 并不会“一股脑全扫完”，而是采用了分批处理的策略：

• GC 枚举协程栈帧时，会将所有协程分成多个批次，每次处理一个小批量，防止因为协程数量过多导致性能瓶颈。
• 如果处理时间超过设定的阈值（比如 50ms），GC 会暂停并等待下一轮回收。

用伪代码可以这样理解：

for (batch : splitInBatches(allCoroutines)) {processBatch(batch);if (timeExceeded()) {pause();continue;}
}

这就像图书馆管理员一次只整理几排书，而不是试图瞬间整理整座图书馆。

3. [共享栈]：让协程更轻更快

Virtual Thread（虚拟线程）是 Java 的最后防线，为了减少内存开销，JVM 不为每个协程分配独立的栈，而是采用共享栈模式：协程运行时只使用一个小型栈，当协程挂起时，栈帧被序列化到堆，释放线程资源。

这种设计极大减少了内存压力，也让 GC 可以直接管理这些栈帧对象。可以说，JVM 通过“共享单车”模式，解决了资源浪费的问题。

4. [懒加载]：按需枚举，减少无用扫描

协程的挂起栈帧，并不是在 GC 开始时就全部加载，而是等到需要时才动态枚举。这样做就可以降低 GC 开销，减少不必要的扫描。

这种“按需处理”的思路，和 Go 语言的协程 GC 优化设计类似，但 Java 的实现更加智能化。

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为什么说 JVM 的优化是技术的艺术？

JVM 在协程与 GC 的博弈中达成了“动态平衡”，还是有三板斧的：

• 栈帧对象化：协程栈帧挂起后直接放到堆中，让 GC 像管理普通对象一样管理协程栈帧。
• 调度器协作：协程调度器帮助 GC 跟踪协程的挂起状态。
• 批次处理：分批扫描协程，避免性能过载。

这不仅化解了 GC 的复杂性，还让协程可以以轻量、高效的方式大规模运行。

一句话：JVM 的协程 GC 优化是“让复杂的事情变简单”的设计。Java 的 Virtual Thread也不只是一个“新玩具”，更是未来高性能并发编程的关键一步。

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