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深入理解JVM - HotSpot 实现细节

作者：互联网

1. 根节点枚举

迄今为止，所有收集器在根节点枚举这一步骤时都是必须暂停用户线程的。
现在可达性分析算法耗时最长的查找引用链的过程已经可以做到与用户线程一起并发。
但根节点枚举始终还是必须在一个能保障一致性的快照中才得以进行。

目前主流Java虚拟机使用的都是准确式垃圾收集，虚拟机应当是有办法直接得到哪些地方存放着对象引用。
在 HotSpot 的解决方案里，是使用一组称为 OopMap 的数据结构来达到这个目的。一旦类加载动作完成的时候，HotSpot就会把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来，在即时编译过程中，也会在特定的位置记录下栈里和寄存器里哪些位置是引用。这样收集器在扫描时就可以直接得知这些信息了，并不需要真正一个不漏地从方法区等GC Roots开始查找。

2. 安全点

HotSpot 只在特定位置生成了 OopMap，这些位置即为安全点 Safepoint。
那么程序执行时就需要用户程序执行到安全点才能暂停用户程序。
因此安全点的选定既不能太少以至于让收集器等待时间过长，也不能太过频繁以至于过分增大运行时的内存负荷。
安全点位置的选取基本上是以“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样的原因而长时间执行，“长时间执行”的最明显特征就是指令序列的复用，例如方法调用、循环跳转、异常跳转等都属于指令序列复用，所以只有具有这些功能的指令才会产生安全点。

如何在垃圾收集发生时让所有线程（这里其实不包括执行JNI调用的线程）都跑到最近的安全点，然后停顿下来

  1. 抢先式中断 Preemptive Suspension: 发生GC时，系统中断所有用户线程，若有线程中断点不在安全点，恢复此线程的执行，直到再安全点中断。
  2. 主动式中断 Voluntary Suspension: GC要发生是置位标志，各用户线程执行时主动轮询标志位，然后到安全点主动挂起。轮询标志的地方和安全点是重合的，另外还要加上所有创建对象和其他需要在Java堆上分配内存的地方，这是为了检查是否即将要发生垃圾收集，避免没有足够内存分配新对象。

由于轮询操作在代码中会频繁出现，这要求它必须足够高效。HotSpot使用内存保护陷阱的方式，把轮询操作精简至只有一条汇编指令的程度。下面代码中的test指令就是HotSpot生成的轮询指令，当需要暂停用户线程时，虚拟机把0x160100的内存页设置为不可读，那线程执行到test指令时就会产生一个自陷异常信号，然后在预先注册的异常处理器中挂起线程实现等待，这样仅通过一条汇编指令便完成安全点轮询和触发线程中断了.
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3. 安全区域

安全点保证了程序执行时的GC，但是程序不执行时呢？
安全区域是指能够确保在某一段代码片段之中，引用关系不会发生变化，因此，在这个区域中任意地方开始垃圾收集都是安全的。我们也可以把安全区域看作被扩展拉伸了的安全点。
当用户线程执行到安全区域里面的代码时，首先会标识自己已经进入了安全区域，那样当这段时间里虚拟机要发起垃圾收集时就不必去管这些已声明自己在安全区域内的线程了。当线程要离开安全 区域时，它要检查虚拟机是否已经完成了根节点枚举（或者垃圾收集过程中其他需要暂停用户线程的 阶段），如果完成了，那线程就当作没事发生过，继续执行；否则它就必须一直等待，直到收到可以 离开安全区域的信号为止。

4. 记忆集与卡表

为解决对象跨代引用所带来的问题，垃圾收集器在新生代中建立了名为记忆集（Remembered Set）的数据结构，用以避免把整个老年代加进GC Roots扫描范围。
事实上并不只是新生代、老年代之间才有跨代引用的问题，所有涉及部分区域收集（Partial GC）行为的 垃圾收集器，典型的如G1、ZGC和Shenandoah收集器，都会面临相同的问题。
记忆集是一种用于记录从非收集区域指向收集区域的指针集合的抽象数据结构。
在垃圾收集的场景中，收集器只需要通过记忆集判断出某一块非收集区域是否存在有指向了收集区域的指针就可以了，并不需要了解这些跨代指针的全部细节.
可供选择的精度

卡表最简单的形式可以只是一个字节数组，而HotSpot虚拟机确实也是这样做的。以下这行代码是HotSpot默认的卡表标记逻辑

CARD_TABLE [this address >> 9] = 0;

字节数组CARD_TABLE的每一个元素都对应着其标识的内存区域中一块特定大小的内存块，这个内存块被称作“卡页”（Card Page）。一般来说，卡页大小都是以2的N次幂的字节数，通过上面代码可以看出HotSpot中使用的卡页是2的9次幂，即512字节（地址右移9位，相当于用地址除以512）。那如果卡表标识内存区域的起始地址是0x0000的话，数组CARD_TABLE的第0、1、2号元素，分别对应了地址范围为0x0000～0x01FF、0x0200～0x03FF、0x0400～0x05FF的卡页内存块。
一个卡页的内存中通常包含不止一个对象，只要卡页内有一个（或更多）对象的字段存在着跨代指针，那就将对应卡表的数组元素的值标识为1，称为这个元素变脏（Dirty），没有则标识为0。在垃圾收集发生时，只要筛选出卡表中变脏的元素，就能轻易得出哪些卡页内存块中包含跨代指针，把它们加入GC Roots中一并扫描。

5. 写屏障

使用记忆集缩减了GC Roots扫描范围，那么卡表如何维护？
何时变脏：有其他分代区域中对象引用了本区域对象时，其对应的卡表元素就应该变脏，变脏时间点原则上应该发生在引用类型字段赋值的那一刻。
如何变脏：通过写屏障（Write Barrier）技术维护卡表状态的，写屏障即对“引用类型字段赋值”这个动作的AOP切面。在赋值前的部分的写屏障叫作写前屏障（Pre-Write Barrier），在赋值 后的则叫作写后屏障（Post-Write Barrier）。

void oop_field_store(oop* field, oop new_value) {
    // 引用字段赋值操作 
    *field = new_value; 
    // 写后屏障，在这里完成卡表状态更新
    post_write_barrier(field, new_value);
}

卡表在高并发场景下还面临着伪共享(False Sharing)问题，一种简单的解决方案是不采用无条件的写屏障，而是先检查卡表标记，只有当该卡表元素未被标记过时才将其标记为变脏。
在JDK 7之后，HotSpot虚拟机增加了一个新的参数-XX：+UseCondCardMark，用来决定是否开启卡表更新的条件判断。开启会增加一次额外判断的开销，但能够避免伪共享问题，两者各有性能损 耗，是否打开要根据应用实际运行情况来进行测试权衡。

6. 并发可达性分析

“标记”阶段是所有追踪式垃圾收集算法的共同特征。
为什么必须在一个能保障一致性的快照上才能进行对象图的遍历?三色标记法

若标记过程与用户线程并发，可能出现的问题:一种是把原本消亡的对象错误标记为存活， 这不是好事，但其实是可以容忍的，只不过产生了一点逃过本次收集的浮动垃圾而已，下次收集清理 掉就好。另一种是把原本存活的对象错误标记为已消亡，这就是非常致命的后果了，程序肯定会因此发生错误。
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Wilson于1994年在理论上证明了，当且仅当以下两个条件同时满足时，会产生“对象消失”的问题，即原本应该是黑色的对象被误标为白色

因此，我们要解决并发扫描时的对象消失问题，只需破坏这两个条件的任意一个即可。由此分别产生了两种解决方案：增量更新（Incremental Update）和原始快照（Snapshot At The Beginning， SATB）

增量更新
破坏第一个条件，当黑色对象插入新的指向白色对象的引用关系时，就将这个新插入的引用记录下来，等并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的黑色对象为根，重新扫描一次。这可以简化理解为，黑色对象一旦新插入了指向白色对象的引用之后，它就变回灰色对象 了。

原始快照
破坏第二个条件，当灰色对象要删除指向白色对象的引用关系时，就将这个要删除的引用记录下来，在并发扫描结束之后，再将这些记录过的引用关系中的灰色对象为根，重新扫描一次。这也可以简化理解为，无论引用关系删除与否，都会按照刚刚开始扫描那一刻的对象图快照来进行搜索。

以上无论是对引用关系记录的插入还是删除，虚拟机的记录操作都是通过写屏障实现的。在HotSpot虚拟机中，增量更新和原始快照这两种解决方案都有实际应用，譬如，CMS是基于增量更新 来做并发标记的，G1、Shenandoah则是用原始快照来实现。

标签：对象,卡表,HotSpot,安全,细节,线程,引用,JVM
来源： https://www.cnblogs.com/chenxingyang/p/16146999.html