HotSpot中的OopMap、Safe Point和Safe Region

1.OopMap

    在正式的GC之前，要进行可达性分析来标记出将来可能要宣告死亡的对象。如果每次GC的时候都要遍历所有的引用，这样的工作量是非常大的。因为在可达性分析的时候要保证期间不发生引用关系的变化，所有执行线程要停顿等待，称为“Stop The World”，程序中的线程需要停止来配合可达性分析。

    所以，每次直接遍历整个引用链肯定是不现实的。 为了应对这种尴尬的问题，最早有保守式GC和后来的准确式GC。这里准确式GC就会提到一个OopMap，用来保存类型的映射表。

保守式GC

    在进行GC的时候，会从一些已知的位置（GC Roots）开始扫描内存，扫描到一个数字就判断他是不是可能是指向GC堆中的一个指针（这里会涉及上下边界检查（GC堆的上下界是已知的）、对齐检查（通常分配空间的时候会有对齐要求，假如说是4字节对齐，那么不能被4整除的数字就肯定不是指针），之类的。）。然后一直递归的扫描下去，最后完成可达性分析。这种模糊的判断方法因为无法准确判断一个位置上是否是真的指向GC堆中的指针，所以被命名为保守式GC。这种可达性分析的方式因为不需要准确的判断出一个指针，所以效率快，但是也正因为这种特点，他存在下面两个明显的缺点：

    1.因为是模糊的检查，所以对于一些已经死掉的对象，很可能会被误认为仍有地方引用他们，GC也就自然不会回收他们，从而引起了无用的内存占用，造成资源浪费。

     2.由于不知道疑似指针是否真的是指针，所以它们的值都不能改写；移动对象就意味着要修正指针。换言之，对象就不可移动了。有一种办法可以在使用保守式GC的同时支持对象的移动，那就是增加一个间接层，不直接通过指针来实现引用，而是添加一层“句柄”（handle）在中间，所有引用先指到一个句柄表里，再从句柄表找到实际对象。这样，要移动对象的话，只要修改句柄表里的内容即可。但是这样的话引用的访问速度就降低了。Sun JDK的Classic VM用过这种全handle的设计，但效果实在算不上好。

准确式GC

与保守式GC相对的就是准确式GC，何为准确式GC？就是我们准确的知道，某个位置上面是否是指针，对于java来说，就是知道对于某个位置上的数据是什么类型的，这样就可以判断出所有的位置上的数据是不是指向GC堆的引用，包括栈和寄存器里的数据。

网上看了下说是实现这种要求的方法有好几种，但是在java中实现的方式是：从我外部记录下类型信息，存成映射表，在HotSpot中把这种映射表称之为OopMap，不同的虚拟机名称可能不一样。

实现这种功能，需要虚拟机的解释器和JIT编译器支持，由他们来生成OopMap。生成这样的映射表一般有两种方式：

• 每次都遍历原始的映射表，循环的一个个偏移量扫描过去；这种用法也叫“解释式”； 
• 为每个映射表生成一块定制的扫描代码（想像扫描映射表的循环被展开的样子），以后每次要用映射表就直接执行生成的扫描代码；这种用法也叫“编译式”。

总而言之，GC停顿的时候，虚拟机可以通过OopMap这样的一个映射表知道，在对象内的什么偏移量上是什么类型的数据，而且特定的位置记录着栈和寄存器中哪些位置是引用。

2.Safe Point

    有了OopMap，HotSpot可以快速准确完成GC Roots枚举。但是另一个问题来了，我们要在什么地方创建OopMap？程序运行期间，引用的变化在不断发生，如果每一条指令都声称OopMap，那占用空间就太大了，所以有了安全点（Safe Point）。只在安全点进行GC停顿，只要保证引用变化的记录完成于GC停顿之前就可以。

    安全点选定太少，GC等待时间就太长，选的太多，GC就过于频繁。选定原则是”具有让程序长时间执行的特征“，也就是在这个时刻现有的指令是可以复用的。一般选在方法调用、循环跳转、抛出异常的位置。

    现在的问题是在Safe Point让线程们以怎样的机制中断，方案有两种：抢先式中断、主动式中断。

    抢先式中断：GC发生时，中断所有线程，如果发现有线程不再安全点上，就恢复线程让它运行到安全点上。现在几乎不用这种方案。

    主动式中断：设置一个标志，和安全点重合，再加上创建对象分配内存的地方。各个线程主动轮询这个标志，发现中断标志为真就挂起自己。HotSpot使用主动式中断。

3.Safe Region

1.OopMap

之前我们提到，在正式的GC之前总是需要进行可达性分析来查找内存中所有存活的对象，以便GC能够正确的回收已经死亡的对象。那么对于一个十分复杂的系统，每次GC的时候都要遍历所有的引用肯定是不现实的。因为在可达性分析的时候，需要进行Stop The World，程序中的线程需要停止来配合可达性分析。就好像是你女朋友在打扫卫生的时候（什么，你还没有女朋友？这还能难道程序员了？new 一个啊！），肯定不会让你走来走去的。所以，你肯定在内心里也希望你女朋友打扫卫生快一点，因为你的膀胱已经快要爆炸了。对于程序来说有也一样，也希望GC的时候快一点，以便让程序高效地完成工作。

所以，每次直接遍历整个引用链肯定是不现实的。 为了应对这种尴尬的问题，最早有保守式GC和后来的准确式GC。这里准确式GC就会提到一个OopMap，用来保存类型的映射表。

    Safepoint保证了程序执行时，在不长的时间里就会遇到可进入GC的安全点，但如果线程没有分配cpu时间，必须线程处于sleep或blocked状态，就无法响应JVM的中断请求，走到安全点去挂起。Safe Region解决了这一问题。

    安全区域是指在一段代码片段中，引用关系不会发生变化，在该区域的任何地方发生GC都是安全的。当代码执行到安全区域时，首先标识自己已经进入了安全区域，那样如果在这段时间里JVM发起GC，就不用管标示自己在安全区域的那些线程了，在线程离开安全区域时，会检查系统是否正在执行GC，如果是，就等到GC完成后再离开安全区域。