HotSpot 垃圾收集算法的实现

根据对象存活判定算法和垃圾收集算法，HotSpot 虚拟机上实现这些算法时，对算法的执行效率有严格的考量。

一、枚举根节点

• 实现：
  • 由于目前的主流 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。
• 特点：
  • 枚举根节点时必须会发生 Stop The World

因为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”指的是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不在不断变化的情况，该点不满足的话分析结果准确性就无法得到保证。这是 GC 停顿的其中一个重要原因。

二、安全点

• 实现：
  • 上文提到“在特定的位置”记录了一些信息，这些位置称为安全点（Safepoint），即在程序执行时并非在所有地方都停顿下来开始 GC，只有在到达安全点时才能暂停。
  • Safepoint 选定既不能太少也不致于让 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。
  • 对于Safepoint，另一个需要考虑的问题是如何在 GC 发生时让所有线程（不包括 JNI 调用的线程）都“跑”到最近安全点上再停顿下来。这里有两种方案：
    • 抢先式中断（Preemptive Suspension），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。
    • 主动式中断（Voluntary Suspension），需要中断时不直接对线程操作，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。轮询标志的地方和安全点是重合的，另外再加上创建对象需要分配内存的地方。

三、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 GC 的 Safepoint。但是，程序“不执行”的情况呢？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”到完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。

• 实现：
  • 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 都是完全的。我们也可以把 Safe Region 看做是扩展了的 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完全离开 Safe Region 的信号为止。