《深入理解 Java 虚拟机》- 笔记 - HotSpot 的垃圾收集算法实现

枚举根节点

从可达性分析中从 GC Roots 节点找引用链这个操作为例，可以作为 GC Roots 的节点主要有：全局性的引用（如常量、类静态属性），执行上下文（如栈帧中的本地变量表）；有些应用的方法区多达上百兆，如果要逐个检查引用将会消耗很多时间。

可达性分析会导致 GC 停顿，因为可达性分析期间整个执行系统被冻结在某个时间点上，期间对象引用关系不会发生变化，将使所有 Java 执行线程停顿。

目前主流的 Java 虚拟机使用的都是准确式 GC，当执行系统停顿下来后，虚拟机是有办法直接得知哪些地方放着对象的引用，所以不需要一个不漏的检查完所有执行上下文和全局的引用位置。

HotSpot 使用一组称为 OopMap 的数据结构来实现的。在类加载完成时，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到这些信息了。

安全点

OopMap 内容变化的指令非常多，如果为每一条指令都生成对应的 OopMap，需要大量的额外空间，GC 的成本将会变得很高。

实际上 HotSpot 没有为每条指令都生成 OopMap，只在“特定的位置”记录了这些信息，这些位置称为安全点（Safepoint），程序只有到达安全点才停顿下来开始 GC。

安全点的选定基本上是以程序“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准进行选定的——因为每条指令的执行时间都非常短暂，程序不太可能因为指令流长度太长这个原因而过长时间运行，“长时间执行”的最明显特征就是指令序列的复用，如：方法调用、循环跳转、异常跳转等，所以具有这些功能的指令才会产生安全点。

如何在 GC 发生时然所有线程（不包括执行 JNI 调用的线程）都“跑”到最近的安全点上再停顿下来，这里有两种方案：抢先式中断（Preemptive Suspension）和主动式中断（Voluntary Suspension）。

抢先式中断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，让他“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来响应 GC 事件）。

主动式中断是当 GC 需要中断线程的时候，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，发现中断标志位为真时就自己中断挂起，轮序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。

安全区域

安全点机制保证了程序执行时，在不太长的时间内就能遇到可进入 GC 的安全点。如果线程处于 Sleep 或 Blocked 状态等不执行的时候，无法响应 JVM 的中断请求，无法“走”到安全的地方中断挂起。对于这种情况，就需要安全区域（Safe Region）来解决。

安全区域是指在一段代码之中，引用关系不会发生变化。在这个区域中的任何地方开始 GC 都是安全的。

在程序执行到安全区域中的代码时，首先标识自己已经进入了安全区域。当在这段时间 JVM 发起 GC 时，就不用管那些标识为安全区域状态的线程了。在线程要离开安全区域时，它要检查系统是否已经完成根节点枚举。如果完成，那线程就继续执行，否则它就必须等待直到收到可以安全离开安全点的信号为止。