JVM入門之關(guān)于GC的擴展知識1

本章主要是對上一篇文章講的垃圾回收機制的擴展，垃圾回收其實本身是有很多可以優(yōu)化的點的，本章就進行對這些優(yōu)化點進行介紹。

1.GC Roots遍歷提升效率

以往做法

當垃圾回收器線程進行GC時， 第一步需要 「找到GC Roots」 ；第二步通過GC Roots進行 「遍歷堆中引用GC Roots的對象形成引用鏈」 ；第三步，將不在引用鏈中的對象標記進行 「標記」 （需要回收的對象），或者 「標記」 引用鏈中的對象（需要復(fù)制，整理的對象），具體標記哪種對象根據(jù)堆中的分代內(nèi)存不同和采用的垃圾回收算法來確定。

可優(yōu)化地方以及優(yōu)化原理

上述過程第二步中遍歷堆中引用GC Roots的對象，這部分隨著堆內(nèi)存的越來越大需要的時間也會逐步增長。如果能夠提前知道堆中哪部分內(nèi)存是引用，來判斷是否引用GC Roots這樣效率是不是會更高一些。

沒錯，因為之前講過從Exact VM開始就已經(jīng)采用了準確式內(nèi)存管理即知道哪部分內(nèi)存是引用；而且在即時編譯的過程中我也會知道棧中或者寄存器里哪部分內(nèi)存是引用。這個時候我用一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲這些信息，在第二步中就不需要遍歷整個堆了，只需要遍歷沒有標識引用內(nèi)存的地方（也就是剛才數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中沒有存儲的信息）。

在HotSpot中使用OopMap這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲這信息，也就是可以顯著提高GC Roots遍歷的效率，但是在什么位置放這些信息呢？

2.提升了GC Roots遍歷效率卻不知道怎么安插？

前面提到過通過一個OopMap數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠提升遍歷效率，但是OopMap中的數(shù)據(jù)在不同的地方內(nèi)容是不一樣的（比如每個方法里面我的局部變量表里面的內(nèi)容可能是不一樣的），所以 我為每個指令附近都放一個OopMap 。

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等等，這樣未免也太浪費內(nèi)存了吧~。

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沒錯，所以我們得先辦法把它放到合適的地方！嗯沒錯，我想想： **「這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)是為了優(yōu)化GC第二步的效率出現(xiàn)的，也就是說只有GC時在放這些數(shù)據(jù)就行了~。思路找到了，但是什么時候發(fā)生GC呢？

發(fā)生GC這個時間我不能確定，但是我可以確定的是它遍歷堆中內(nèi)存的時候必須要進行STW【否則如果在標記的過程中堆中引用發(fā)生變化就會導(dǎo)致標記結(jié)果出錯】（2.1中講解），我指定只有代碼中執(zhí)行執(zhí)行到某個地方才可以進行STW這樣我就可以間接的實現(xiàn)我的目的」** 。

也就是說當GC發(fā)生時，只有執(zhí)行到某個地方才會進行STW，然后我在這個地方附近放上這么一個OopMap的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，然后加快第二步的效率。

「這個某個地方其實名字叫做“safePoint”」 ，顧名思義安全點，只有代碼執(zhí)行到安全點附近才可以進行STW垃圾收集，而只要將OopMap安插到安全點附近就行。

2.1為什么需要STW？

上面提到過：

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【否則如果在標記的過程中堆中引用發(fā)生變化就會導(dǎo)致標記結(jié)果出錯】

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一，三色標記法

接下來用三色標記法進行解釋如果沒有STW會發(fā)生什么情況：一，先解釋三色標記法：

二，沒有STW出現(xiàn)的情況

在這里插入圖片描述

三，解決方案

上面那種異常情況必須同時滿足兩個條件：1.灰色對象不引用白色對象 2.黑色讀寫引用白色對象

因此，只要讓其中一個條件不滿足即可，因此出現(xiàn)了兩種解決方案：1.增量更新：這種方案是讓第二個條件不滿足，即當黑色對象引用白色對象時，將這個黑色對象保存下來，等掃描結(jié)束后，再次取出黑色對象進行掃描，可以簡單理解為如果黑色對象引用了百世對象就會被標記為灰色。

2.原始快照：當灰色對象刪除白色對象的引用時，將這個灰色對象記錄下來，等到掃描結(jié)束后，在對這些灰色對象為根進行掃描，簡單理解為：不管是否刪除與否都會按照第一次剛開始的引用關(guān)系圖進行掃描。

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CMS垃圾回收器采用增量更新來進行并發(fā)標記，G1,Shenandoah采用原始快照

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3.safePoint我又該放到哪里？

safePoint上面解釋過了，但是我該在哪里放置safePoint呢？放的多了會導(dǎo)致GC收集過于頻繁增加運行時內(nèi)存壓力，放的少了又會因為堆中不斷增加使用的內(nèi)存而沒有及時回收堆里面內(nèi)存導(dǎo)致垃圾收集器等待時間過長。

這樣，我定義一個規(guī)則，只有這種**“會讓程序長時間運行的指令”**特征我才會進行安插safePoint，但是這個特征“長時間”并沒有具體的定義，但是卻有“指令序列復(fù)用”這樣的含義。比如方法調(diào)用，循環(huán)調(diào)整，異常跳轉(zhuǎn)這些，只有這些指令附近才會安插safePoint。

safePoint位置選好了，但是上個問題說過執(zhí)行到safePoint中需要進行STW，發(fā)生GC時，我該如何快速跑到safePoint附近進行STW？還有我這個STW該怎么實現(xiàn)呢？

4.如何實現(xiàn)STW？

首先解釋為什么叫做STW，全稱“Stop the Word”，因為 「通過GC Roots遍歷堆中內(nèi)存的過程其內(nèi)存里面的引用關(guān)系不能發(fā)生變化」 ，所以需要暫停所有的用戶線程操作來保障Gc Roots形成的引用鏈是正確的即待會標記過程不會出錯。

讓所有線程都暫停，這個“看起來復(fù)雜其實并不簡單”的操作其實有兩種方式處理：一，搶先式中斷：

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垃圾收集器收集時，系統(tǒng)將所有用戶線程都中斷。當發(fā)現(xiàn)不在safePoint附近的線程時先讓他恢復(fù)運行直至跑到safePoint附近。這種方式現(xiàn)在幾乎沒有虛擬機采用這種方式來響應(yīng)GC。

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二，主動式中斷：

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我不直接對我的用戶線程操作，當發(fā)生GC時，我給用戶線程設(shè)立個標志位，用戶線程執(zhí)行的時候不斷輪詢這個標志位，如果輪詢到了那么我將自己中斷我自己的運行，由于這種方式是輪詢到就立馬進行掛起所以將輪詢的地方和safePoint的地方重合。

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優(yōu)化

“不斷輪詢標志位”這句話聽起來就很耗時哈哈，那么再虛擬機中是怎么優(yōu)化的呢?還有輪詢之后的操作我自己掛起我自己這個又是怎么實現(xiàn)的？

等等，我不放到下一個問題里面講了，直接一遍過：

輪詢標志位這個操作其實就是一條匯編指令，（對于匯編和JAVA是什么關(guān)系，之前也有講到過，辛苦翻閱前面文章~） 這條匯編指令的意思就是當我輪詢到需要中斷線程的標志位的時候：我會將其中一個內(nèi)存頁設(shè)置為不可讀，這會導(dǎo)致產(chǎn)生一個自陷異常信號，異常處理器中接受到后進行主動中斷操作。