java虚拟机HotSpot 的 GC 算法实现

之前介绍了对象存活判定算法和垃圾收集算法,而在HotSpot虚拟机上实现这些算法时,必须对算法的执行效率有严格的考量,才能保证虚拟机高效运行。

一.枚举根节点

从可达性分析中从GC Roots节点找引用链这个操作为例,可作为GC Roots的节点主要在全局性的引用(例如常量或类静态属性)与执行上下文(例如栈帧中的本地变量表)中,现在很多应用仅仅方法区就有数百兆,如果要逐个检查这里面的引用,那么必然会消耗很多时间。

其次，可达性分析对执行时间的敏感还体现在GC停顿上因为这项分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行——这里“一致性”的意思是指在整个分析期间整个执行系统看起来就像被冻结在某个时间点上。不可以出现分析过程中对象引用关系还在不断变化的情况。这就好比”你妈妈在给你打扫房间的时候,肯定也会让你老老实实地在椅子上或者房间外待着,如果她一边打扫,你一边乱扔纸屑,这房间还能打扫完?”。这是导致GC进行时必须停顿所有Java执行线程(Sun将这件事情称为“Stop The World”)的其中一个重要原因。

目前的主流Java虚拟机使用的都是准确式GC，所以当执行系统停顿下来后,并不需要一个不漏地检查完所有执行上下文和全局的引用位置,虚拟机应当是有办法直接得知哪些地方存放着对象引用。在HotSpot的实现中,是使用一组称为OopMap的数据结构来达到这个目的的,在类加载完成的时候,HotSpot就把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来,在JIT编译过程中,也会在特定的位置记录下栈和寄存器中哪些位置是引用。这样,GC在扫描时就可以直接得知这些信息了。

二.安全点

在OopMap的协助下,HotSpot可以快速且准确地完成GC Roots枚举,但一个很现实的问题随之而来:可能导致引用关系变化,或者说OopMap内容变化的指令非常多,如果为每一条指令都生成对应的OopMap,那将会需要大量的额外空间,这样GC的空间成本将会变得很高。

实际上,HotSpot也的确没有为每条指令都生成OopMap,前面已经提到,只是在“特定的位置”记录了这些信息,这些位置称为安全点(Safepoint),即程序执行时并非在所有地方都能停顿下来开始GC,只有在到达安全点时才能暂停。Safepoint的选定既不能太少以致于让GC等待时间太长,也不能过于频繁以致于过分增大运行时的负荷。所以,安全点的选定基本上是以程序“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准进行选定的——因为每条指令执行的时间都非常短暂,程序不太可能因为指令流长度太长这个原因而过长时间运行,“长时间执行”的最明显特征就是指令序列复用,例如方法调用、循环跳转、异常跳转等,所以具有这些功能的指令才会产生Safepoint。

对于Sefepoint,另一个需要考虑的问题是如何在GC发生时让所有线程(这里不包括执行JNI调用的线程)都“跑”到最近的安全点上再停顿下来。这里有两种方案可供选择:抢先式中断(Preemptive Suspension)和主动式中断(Voluntary Suspension),其中抢先式中断不需要线程的执行代码主动去配合,在GC发生时,首先把所有线程全部中断,如果发现有线程中断的地方不在安全点上,就恢复线程,让它“跑”到安全点上。现在几乎没有虚拟机实现采用抢先式中断来暂停线程从而响应GC事件。

而主动式中断的思想是当GC需要中断线程的时候,不直接对线程操作,仅仅简单地设置一个标志,各个线程执行时主动去轮询这个标志,发现中断标志为真时就自己中断挂起.

3.安全区域

使用Safepoint似乎已经完美地解决了如何进入GC的问题,但实际情况却并不一定。
Safepoint机制保证了程序执行时,在不太长的时间内就会遇到可进入GCSafepoint。但是,程序“不执行”的时候呢?所谓的程序不执行就是没有分配CPU时间,典型的例子就是线程处于Sleep状态或者Blocked状态,这时候线程无法响应JVM的中断请求,“走”到安全的地方去中断挂起,JVM也显然不太可能等待线程重新被分配CPU时间。对于这种情况,就需要安全区域(Safe Region)来解决。

安全区域是指在一段代码片段之中,引用关系不会发生变化。在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的。我们也可以把Safe Region看做是被扩展了的Safepoint。

在线程执行到Safe Region中的代码时,首先标识自己已经进入了Safe Region,那样,当
在这段时间里JVM要发起GC时,就不用管标识自己为Safe Region状态的线程了。在线程要离开Safe Region时,它要检查系统是否已经完成了根节点枚举(或者是整个GC过程),如果完成了,那线程就继续执行,否则它就必须等待直到收到可以安全离开Safe
Region的信号为止。

到此,_简要地介绍了HotSpot虚拟机如何去发起内存回收的问题,但是虚拟机如何具体地进行内存回收动作仍然未涉及,因为内存回收如何进行是由虚拟机所采用的GC收集器决定的,而通常虚拟机中往往不止有一种GC收集器。再后面的博文中学习HotSpot中有哪些GC收集器。

《深入理解java虚拟机 JVM高级特性与最佳实践》周志明