JVM-可达性分析算法

可达性分析的问题

1、消耗大量时间

      从前面可达性分析知道，GC Roots主要在全局性的引用（常量或静态属性）和执行上下文中（栈帧中的本地变量表）；

      要在这些大量的数据中，逐个检查引用，会消耗很多时间；

2、GC停顿

      可达性分析期间需要保证整个执行系统的一致性，对象的引用关系不能发生变化；

      导致GC进行时必须停顿所有Java执行线程（称为"Stop The World"）；

      （几乎不会发生停顿的CMS收集器中，枚举根节点时也是必须要停顿的）

      Stop The World：

      是JVM在后台自动发起和自动完成的；

      在用户不可见的情况下，把用户正常的工作线程全部停掉；

3-2、枚举根节点

      枚举根节点也就是查找GC Roots；

      目前主流JVM都是准确式GC，可以直接得知哪些地方存放着对象引用，所以执行系统停顿下来后，并不需要全部、逐个检查完全局性的和执行上下文中的引用位置；

            

      在HotSpot中，是使用一组称为OopMap的数据结构来达到这个目的的；

      在类加载时，计算对象内什么偏移量上是什么类型的数据；

      在JIT编译时，也会记录栈和寄存器中的哪些位置是引用；

      这样GC扫描时就可以直接得知这些信息；

3-3、安全点

1、安全点是什么，为什么需要安全点

      HotSpot在OopMap的帮助下可以快速且准确的完成GC Roots枚举，但是这有一个问题：        

      运行中，非常多的指令都会导致引用关系变化；

      如果为这些指令都生成对应的OopMap，需要的空间成本太高；

      问题解决：

      只在特定的位置记录OopMap引用关系，这些位置称为安全点（Safepoint）；

      即程序执行时并非所有地方都能停顿下来开始GC；

2、安全点的选定

      不能太少，否则GC等待时间太长；也不能太多，否则GC过于频繁，增大运行时负荷；

      所以，基本上是以程序"是否具有让程序长时间执行的特征"为标准选定；

      "长时间执行"最明显的特征就是指令序列复用，如：方法调用、循环跳转、循环的末尾、异常跳转等；

      只有具有这些功能的指令才会产生Safepoint；

3、如何在安全点上停顿

      对于Safepoint，如何在GC发生时让所有线程（不包括JNI线程）运行到其所在最近的Safepoint上再停顿下来？

      主要有两种方案可选：

（A）、抢先式中断（Preemptive Suspension）

      不需要线程主动配合，实现如下：

      （1）、在GC发生时，首先中断所有线程；

      （2）、如果发现不在Safepoint上的线程，就恢复让其运行到Safepoint上；

      现在几乎没有JVM实现采用这种方式；

（B）、主动式中断（Voluntary Suspension）

      （1）、在GC发生时，不直接操作线程中断，而是仅简单设置一个标志；

      （2）、让各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；

      而轮询标志的地方和Safepoint是重合的；    

      在JIT执行方式下：test指令是HotSpot生成的轮询指令；

      一条test汇编指令便完成Safepoint轮询和触发线程中断；

3-4、安全区域

1、为什么需要安全区域

      对于上面的Safepoint还有一个问题：

      程序不执行时没有CPU时间（Sleep或Blocked状态），无法运行到Safepoint上再中断挂起；    

      这就需要安全区域来解决；

2、什么是安全区域（Safe Region）

      指一段代码片段中，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；

3、如何用安全区域解决问题

      安全区域解决问题的思路：

      （1）、线程执行进入Safe Region，首先标识自己已经进入Safe Region；

      （2）、线程被唤醒离开Safe Region时，其需要检查系统是否已经完成根节点枚举（或整个GC）；

      如果已经完成，就继续执行；

      否则必须等待，直到收到可以安全离开Safe Region的信号通知；    

这样就不会影响标记结果；

      虽然HotSpot虚拟机中采用了这些方法来解决对象可达性分析的问题，但只是大大减少了这些问题影响，并不能完全解决，如GC停顿"Stop The World"是垃圾回收重点关注的问题，后面介绍垃圾回收器时应注意：低GC停顿是其一个关注。