hotspot的安全區(saferegion)和安全點(safepoint)

 

一、經過OopMap完成根節點枚舉

HotSpot虛擬機使用可達性分析算法肯定對象是否能夠被GC。

可達性分析算法從一系列GCRoot對象開始，向下搜索引用鏈，若是一個對象沒有與任何GCRoot對象關聯，這個對象就會被斷定爲可回收對象。

GCRoot包括如下對象：

1. 虛擬機棧上的本地變量表引用的對象

2. 方法區中類的靜態屬性引用的對象

3. 方法區中常量引用的對象

4. 本地方法棧中JNI引用的對象

這一過程稱爲根節點枚舉，也就是垃圾回收中的標記過程，當前全部的垃圾收集器，在標記階段都必須中止全部java執行線程（STW），以保證對象引用狀態不會發生變化。

HotSpot虛擬機做爲準確式虛擬機，維護了一個專門的映射表（OopMap）記錄哪些位置存放着對象引用，來快速完成根節點枚舉過程。

類加載完成，HotSpot就會把對象內某個偏移位置是否爲對象引用記錄下來，JIT編譯過程當中，也會在特定的位置記錄下棧和局部變量表中哪些位置是引用。

二、安全點SafePoint

爲每個操做記錄OopMap不現實，HotSpot虛擬機引入了SafePoint。安全點就是某些記錄線程此時調用棧、寄存器等一些重要的數據區域裏什麼地方包含了GC要管理的指針（對象引用），而這些對象引用是經過OopMap結構進行記錄的，能夠直接經過對OopMap結構的訪問來得到對象的引用。

SafePoint是程序中的某些位置，線程執行到這些位置時，線程中的某些狀態是肯定的，在safePoint能夠記錄OopMap信息，線程在safePoint停頓，虛擬機進行GC。一個線程能夠在SafePoint上，也能夠不在SafePoint上。一個線程在SafePoint時，它的狀態能夠安全地被其餘JVM線程所操做和觀測。

線程停頓方式有兩種，搶先式中斷和主動式中斷：

1. 搶先式中斷：虛擬機須要GC時，中斷全部線程，讓沒有到達SafePoint的線程繼續執行至SafePoint並中斷

2. 主動式中斷：虛擬機不直接中斷線程，而是在內存中設置標誌位，線程檢查到標誌位被設置，運行至SafePoint時主動中斷

hotspot採用的是第一種, 也就是主動檢測的方式. 而在主動檢測的方式中又分爲兩種方式:

1. 指定點執行檢測代碼
2. polling page訪問異常觸發

Hotspot, 顧名思義, 就是熱點的意思, 這裏所謂的熱點指的是熱點代碼, 也就是執行頻率很高的代碼, hotspot會根據運行時的信息來統計, 並將高頻率執行的java字節碼直接翻譯成本地代碼, 由此提升執行效率. 所以, hotspot有兩種執行方式, 一個是解釋執行, 一個是編譯執行。指定點檢測主要是解釋執行用的，對於須要高效實現的地方，則採用polling page。

polling page和普通物理頁面沒什麼區別，須要safepoint時, 會修改該頁面的權限爲不可訪問, 這樣編譯的代碼在訪問這個頁面時, 會觸發段違規異常(SEGEV). 而hotspot在啓動時捕獲了這個異常, 當意識到是訪問polling page致使時, 則主動掛起。

SafePoint通常出如今如下位置：

1. 循環體的結尾

2. 方法返回前

3. 調用方法的call以後

4. 拋出異常的位置

這些位置保證線程不會長時間運行而沒法到達SafePoint，避免其餘線程都停頓等待本線程。

public static void main(String[] args) throws Exception {
     [1]DemoObject demoObject = new DemoObject();
     [2]//往demoObject上掛一個字符串對象
     [3]demoObject.val1 = "this is a string object";
     [4]Thread.sleep(1000000);
}

咱們知道代碼是在線程裏執行的, GC的代碼也是在線程裏執行, 若是執行GC的時候其餘線程也同時執行的話, heap的狀態將是難以追蹤的. 以上面的代碼爲例, 假設GC線程經過掃描線程的stack(線程stack是一種GC Root), 掃描到demoObject, 而後根據這時候, main函數執行到[3], 但還未執行, 掃描的結果只發現demoObject是存活的, 接下來, main函數的線程執行[3], demoObject.val1引用了一個字符串對象, 這個對象的掃描就漏掉了, 除非以某種方式記錄下這個變化, 而後從新掃描demoObject. 即使有辦法記錄這個賦值致使的變化而後再次掃描, 若是其餘線程這時候又來搗亂, 那麼從新掃描的時候有可能又發生了變化, 陷入循環…

再往下一點, 咱們知道CPU執行運算時的數據, 須要從內存裏載入寄存器中, 運算完再從寄存器存入內存, 對象的地址也要通過這麼個過程. 假如一個java線程分配了一個對象A, 該對象的地址存在某個寄存器中, 而後線程的cpu時間片到期被切換出去, 同時GC的線程開始掃描存活對象, 因爲沒有路徑到這個地址還在寄存器中的對象, 這個對象被認爲是garbage, 回收了. 而後睡眠的java線程醒來了, 把寄存器中的對象地址賦值給了存活對象的某個字段, over…

GC的目的在於幫助咱們收集再也不使用的內存, 可是把正在是使用的內存當成垃圾回收顯然是不能接受的. 同時經過分析也看到, 因爲多線程運行環境的存在, GC的工做會變的異常複雜, 要安全的回收垃圾, 須要具有兩個條件:

• heap的變化是受限的, 固然了, 全部線程都停下來最好, 這樣heap 在GC過程當中是穩定的,這是最簡單的狀況.

• heap的狀態是已知的, 不會有活着的對象找不到或者很難找的狀況. 想一想對象地址在寄存器中的狀況, 雖然能夠有辦法能夠掃描線程的寄存器, 即便這樣, 也必須知道哪一個寄存器在某個時刻存的是地址, 要作到掃描不漏是很複雜的事情.

三、安全區SafeRegion

SafePoint沒法解決線程未達到SafePoint並處於休眠或等待狀態的狀況，此時引入SafeRegion的概念。

SafeRegion是代碼中的一塊區域或線程的狀態，在SafeRegion中，線程執行與否不會影響對象引用的狀態。線程進入SafeRegion會給本身加標記，告訴虛擬機能夠進行GC；線程準備離開SafeRegion前會詢問虛擬機GC是否完成。

 

 

參考文章：

（1）聊聊JVM（六）理解JVM的safepoint http://www.javashuo.com/article/p-zcfsrnxu-dn.html

（2）聊聊JVM（九）理解進入safepoint時如何讓Java線程所有阻塞 http://www.javashuo.com/article/p-ooxttjcb-gz.html