深入浅出JVM（十三）之垃圾回收算法细节

深入浅出JVM（十三）之垃圾回收算法细节

上篇文章深入浅出JVM（十二）之垃圾回收算法讨论了垃圾回收算法，为了能够更加充分的理解后续的垃圾收集器，本篇文章将深入浅出解析垃圾回收算法的相关细节，如：STW、枚举根节点如何避免长时间STW、安全点与安全区、跨代引用引起的GC Root扫描范围增大等问题

HotSpot垃圾回收算法细节

STW

Stop The Word

STW: GC中为了分析垃圾过程确保一致性，会导致所有Java用户线程停顿

可达性分析算法枚举根节点导致STW

因为不停顿线程的话，在分析垃圾的过程中引用会变化，这样分析的结果会不准确

根节点枚举

枚举GC Roots的过程是耗时的，因为要找到栈上的Reference作为根节点，这就不得不对整个栈进行扫描

为了避免枚举根节点耗费太多时间，使用OopMap（Ordinary Object Pointer普通对象指针）数据结构来记录reference引用位置

根节点枚举必须暂停用户线程，因为要保证一致性的快照（根节点枚举是用户线程停顿的重要原因）

如果单纯遍历GC Roots和引用链过程会非常的耗时，使用OopMap记录引用所在位置，扫描时不用去方法区全部扫描

使用OopMap快速，精准的让HotSpot完成根节点枚举

安全点与安全区域

safe point

代码中引用的位置可能发生变动，每时每刻更新OopMap的开销是非常大的，因此规定在安全点位置才更新OopMap

那什么位置才是安全点呢？

安全点所在的位置一般具有让程序长时间执行的特征，比如方法调用、循环、异常跳转等

由于只有安全点位置的OopMap是有效的，因此在进行GC时用户线程需要停留在安全点

让用户线程到最近的安全点停下来的方式有两种，分别是抢先式中断、主动式中断

抢先式中断: 垃圾收集发生时，中断所有用户线程，如果有用户线程没在安全点上就恢复它再让它执行会到安全点上

主动式中断: 设置一个标志位，当要发生垃圾回收时，就把这个标记位设置为真，用户线程执行时会主动轮询查看这个标志位，一旦发现它为真就去最近的安全点中断挂起

hotspot选择主动式中断，使用内存保护陷阱方式将轮循标志位实现的只有一条汇编指令，高效

安全点设立太多会影响性能，设立太少可能会导致GC等待时间太长

安全点保证程序线程执行时，在不长时间内就能够进入垃圾收集过程的安全点

safe region

安全点只能保证程序线程执行时，在不长时间内进入安全点，如果是Sleep或者Blocking的线程呢?

安全区域：确保某一段代码中，引用关系不发生变化，这段区域中任意地方开始垃圾收集都是安全的

sleep、blocking线程需要停留在安全区才能进行GC

用户线程执行到安全区，会标识自己进入安全区，垃圾回收时就不会去管这些标识进入安全区的线程

用户线程要离开安全区时，会去检查是否执行完根节点枚举，执行完了就可以离开，没执行完就等待，直到收到可以离开的信号（枚举完GC Roots）

记忆集与卡表

前面说到过分代收集的概念，比如GC可能是只针对年轻代的，但年轻代对象可能引用老年代，对了可达性分析的正确性可能要将老年代也加入GC Roots的扫描范围中，这无疑又增加了一笔开销

上述问题叫做跨代引用问题，跨代引用问题不仅仅只存在与年轻代与老年大中，熟悉G1、低延迟ZGC、Shenandoah收集器的同学会知道它们分区region也会存在这种跨代引用

使用记忆集来记录存在跨代引用的情况，当发生跨代引用时只需要将一部分跨代引用的加入GC Roots的扫描范围，而不用全部扫描

可以把记忆集看成记录从非收集区指向收集区的指针集合

常用卡表实现记忆集的卡精度（每个记录精确到内存区，该区域有对象有跨代指针）

卡表简单形式是一个字节数组，数组中每个元素对应着其标识内存区域中一块特定大小的内存区（这块内存区叫:卡页）

如果卡页上有对象含有跨代指针，就把对应卡表数组值改为1(卡表变脏)，1说明卡表对应的内存块有跨代指针，把卡表数组上元素为1的内存块加入GC Roots中一起扫描（图中卡表绿色位置表示卡表变脏存在跨代引用）

记忆集解决跨代引用问题，缩减GC Roots扫描范围

写屏障

维护卡表变脏应该放在跨代引用赋值之后，使用写屏障来在跨代引用赋值操作后进行更新卡表

这里的写屏障可以理解为AOP，在赋值完成后进行更新卡表的状态

更新卡表操作产生额外的开销，在高并发情况下还可能发生伪共享问题，降低性能

可以不采用无条件的写屏障，先检查卡表标记，只有未被标记过时才将其标记为变脏，来避免伪共享问题，但会增加额外判断的开销

-XX:+UseCondCardMark 是否开启卡表更新条件判断，开启增加额外判断的开销，可以避免伪共享问题

总结

本篇文章围绕垃圾回收算法细节深入浅出解析STW、根节点枚举避免长时间STW、安全区与安全区域、记忆集解决跨代引用增大GC Root扫描范围、维护卡表的写屏障等

为了避免用户线程改变引用关系，能够正确的进行可达性分析，需要stop the word 停止用户线程

枚举GC Roots时为了避免长时间的STW，使用OopMap记录引用位置，避免扫描方法区

由于引用关系的变化，实时更新维护OopMap的开销是很大的，只有在循环、异常跳转、方法调用位置的安全点才更新OopMap，因此只有在安全点中才能正确的进行GC

安全区可以看成扩展的安全点，在一块代码中不会改变引用关系；对于sleep、blocking状态的用户线程来说，只需要在安全区就能够进行GC

hotspot采用主动轮循式中断，用户线程运行时主动轮循判断是否需要进行GC，需要进行GC则到附近最近的安全点/区，GC时不会管理这些进入安全区的用户线程，当用户线程要离开安全区时检查是否枚举完GC Root，枚举完则可以离开否则等待

跨代引用可能增加GC Root扫描范围，使用卡表实现记忆集管理跨代引用，当卡表中的卡页变脏时说明那块内存存在跨代引用，需要加入扫描范围；记忆集有效减少了扫描范围

使用类似AOP的写屏障维护卡表状态，高并发情况下可能出现伪共享问题，可以开启增加额外条件判断再进行维护卡表状态，增加条件判断开销但可以避免伪共享问题

最后（一键三连求求拉~）

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