GC之OopMap、Safe Point和Safe Region

1.OopMap

在正式的GC以前，要进行可达性分析来标记出未来可能要宣告死亡的对象。若是每次GC的时候都要遍历全部的引用，这样的工做量是很是大的。由于在可达性分析的时候要保证期间不发生引用关系的变化，全部执行线程要停顿等待，称为“Stop The World”，程序中的线程须要中止来配合可达性分析。

因此，每次直接遍历整个引用链确定是不现实的。 为了应对这种尴尬的问题，最先有保守式GC和后来的准确式GC。这里准确式GC就会提到一个OopMap，用来保存类型的映射表。

1.1 保守式GC

在进行GC的时候，会从一些已知的位置（GC Roots）开始扫描内存，扫描到一个数字就判断他是否是多是指向GC堆中的一个指针【这里会涉及上下边界检查（GC堆的上下界是已知的）、对齐检查（一般分配空间的时候会有对齐要求，假如说是4字节对齐，那么不能被4整除的数字就确定不是指针）等】，而后一直递归扫描下去，最后完成可达性分析。这种模糊的判断方法由于没法准确判断一个位置上是不是真的指向GC堆中的指针，因此被命名为保守式GC。

优势：这种可达性分析的方式由于不须要准确的判断出一个指针，因此效率快。

缺点：

• 由于是模糊的检查，因此对于一些已经死掉的对象，极可能会被误认为仍有地方引用它们，GC也就天然不会回收它们，从而引发了无用的内存占用，形成资源浪费。
• 因为不知道疑似指针是否真的是指针，因此它们的值都不能改写，移动对象就意味着要修正指针。换言之，对象就不可移动了。有一种办法能够在使用保守式GC的同时支持对象的移动，那就是增长一个间接层，不直接经过指针来实现引用，而是添加一层“句柄”（handle）在中间，全部引用先指到一个句柄表里，再从句柄表找到实际对象。这样，要移动对象的话，只要修改句柄表里的内容便可。可是这样的话引用的访问速度就下降了。Sun JDK的Classic VM用过这种全handle的设计，但效果实在算不上好。

1.2 准确式GC

与保守式GC相对的就是准确式GC。何为准确式GC？就是咱们准确的知道，某个位置上面是不是指针。对于java来讲，就是知道对于某个位置上的数据是什么类型的，这样就能够判断出全部的位置上的数据是否是指向GC堆的引用，包括栈和寄存器里的数据。

实现这种要求的方法有好几种，可是在java中实现的方式是：从外部记录下类型信息，存成映射表，在HotSpot中把这种映射表称之为OopMap，不一样的虚拟机名称可能不同。

实现这种功能，须要虚拟机的解释器和JIT编译器支持，由它们来生成OopMap。生成这样的映射表通常有两种方式：

• 每次都遍历原始的映射表，循环的一个个偏移量扫描过去；这种用法也叫“解释式”；
• 为每一个映射表生成一块定制的扫描代码（想像扫描映射表的循环被展开的样子），之后每次要用映射表就直接执行生成的扫描代码；这种用法也叫“编译式”。

总而言之，GC停顿的时候，虚拟机能够经过OopMap这样的一个映射表知道，在对象内的什么偏移量上是什么类型的数据，并且特定的位置记录着栈和寄存器中哪些位置是引用。

2.Safe Point

有了OopMap，HotSpot能够快速准确完成GC Roots枚举。可是另外一个问题来了，咱们要在什么地方建立OopMap？程序运行期间，引用的变化在不断发生，若每条指令都生成OopMap，那占用空间就太大了，因此有了安全点（Safe Point）。只在安全点进行GC停顿，只要保证引用变化的记录完成于GC停顿以前就能够。

安全点选定太少，GC等待时间就太长，选的太多，GC就过于频繁。选定原则是“具备让程序长时间执行的特征”，也就是在这个时刻现有的指令是能够复用的。通常选在方法调用、循环跳转、抛出异常的位置。

如何使线程在Safe Point停顿，方案有两种：抢先式中断（弃用）、主动式中断。

• 抢先式中断：GC发生时，中断全部线程，若是发现有线程不在安全点上，就恢复线程让它运行到安全点上。如今几乎不用这种方案。
• 主动式中断：设置一个标志，和安全点重合。各个线程主动轮询这个标志，发现中断标志位就将线程中断挂起。HotSpot使用主动式中断，避免了抢占式中断的“中断-启动-中断”过程。

3.Safe Region

安全点能够保证大部分线程停顿，可是当GC请求中断时线程并无获取CPU执行权，线程没法响应JVM“跑到”安全点，可是JVM的GC不会等待线程得到CPU执行权再对它进行可达性分析或者回收。也就是说该线程如今在非安全点中止，而且GC对其进行了操做，这样的操做是不知足一致性的，当线程苏醒以后就会发生下面的状况，即线程在继续执行，GC也在操做该线程（这个过程对象的引用关系有可能会改变）。

安全区域（Safe Region）就能够很好地解决这样的问题：安全区域是指在一段代码片断中，引用关系不会发生变化，在该区域的任何地方发生GC中断请求都是安全的。当线程执行到安全区域时，首先标识本身已经进入了安全区域。在线程离开安全区域时，会检查系统是否正在执行GC，若是是，就等到GC完成后再离开安全区域。