HotSpot 算法实现

声明：本文摘抄自《深入理解Java虚拟机》一书，本文完全为自我学习，请感兴趣的同学购买正版，支持原创

SUN的JDK版本从1.3.1开始运用HotSpot虚拟机， 2006年底开源，主要使用C++实现，JNI接口部分用C实现。HotSpot是较新的Java虚拟机，用来代替JIT(Just in Time)，可以大大提高Java运行的性能。Java原先是把源代码编译为字节码在虚拟机执行，这样执行速度较慢。而HotSpot将常用的部分代码编译为本地(原生，native)代码，这样显着提高了性能。

HotSpot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，可作为GC Roots的节点主要在全局性的引用（例如常量和类静态属性）与执行上下文（例如栈帧中的本地变量表）中。现在很多应用仅仅方法区就有数百兆，如果要逐个检查这里面的引用，那么必然会消耗很多时间。
另外，可达性分析对执行时间的敏感性还体现在GC停顿上，因为这项分析工作必须在一个确保一致性的快照中进行－－这里“一致性”意思是指整个分析期间整个执行系统看起来像是被冻结在某个时间点上，不可以出现在分析过程中对象引用关系还在发生变化的情况，这点不满足的话分析结果准确性就无法得到保证。这是导致ＧＣ进行时必须停顿所有Java执行线程的其中一个重要原因（Sun将这件事称为“Stop The World”），即使是号称（几乎）不会发生停顿的CMS收集器，在枚举根节点时也是必须要停顿的。

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，并不需要一个不漏的检查完所有上下文和全局的引用位置，虚拟机应当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，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引用计算出来，在JIT编译过程中，也会在特殊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。

安全点

在OopMap的协助下，HotSpot可以迅速完成GC Roots枚举，但有一个很现实的问题随之而来：可能导致引用关系发生变化，或者说OopMap内容变化的指令很多，如果每一条指令都生成一个OopMap，那么将需要大量额外空间，这样GC的空间成本就会变的很高。

实际上，HotSpot也的确没有为每条指令都生成一个OopMap，前面也已经提到，只是在“特定的位置”记录了这些信息，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下来执行GC，只有在达到安全点时才能暂停。SaftPoint既不能太少以致于GC需要等待时间太长，也不能过于频繁以致于过分增大运行时负荷。所以，安全点的选择基本上是以程序“是否具有让长时间执行的特征”为标准进行选定的－－因为每一条指令执行的时间都非常短暂，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复用，例如方法调用，循环跳转，异常跳转等

对于SafePoint，另一个需要考虑的问题是如何在GC发生时让所有线程都“跑”到最近的安全点上再停顿下来。这里有两种方案可供选择：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相应GC事件。
主动式中断的思想是当GC需要中断线程的时候，不直接对线程进行操作，仅仅设置一个简单的标志，各个线程执行时主动轮询这个标志，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。

安全区

使用SafePoint似乎完美的解决了如何进行入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的SafePoint。但是，程序“不执行”的时候呢？所谓程序不执行的时候是指没有分配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”到安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。

安全区域是值这一段代码片段中，引用关系不会发生变化。在这个区域的任何地方开始GC都是安全的。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，首先标识自己已进入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。当线程要离开Safe Region时，它要检查系统是否已经完成了根节点枚举，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安全离开Safe Region的信号为止。