关于OopMap、SafePoint(安全点)以及安全区域

1.OopMap

以前咱们提到，在正式的GC以前老是须要进行可达性分析来查找内存中全部存活的对象，以便GC可以正确的回收已经死亡的对象。那么对于一个十分复杂的系统，每次GC的时候都要遍历全部的引用确定是不现实的。由于在可达性分析的时候，须要进行Stop The World，程序中的线程须要中止来配合可达性分析。就好像是你女友在打扫卫生的时候（什么，你尚未女友？这还能难道程序员了？new 一个啊！），确定不会让你走来走去的。因此，你确定在心里里也但愿你女友打扫卫生快一点，由于你的膀胱已经快要爆炸了。对于程序来讲有也同样，也但愿GC的时候快一点，以便让程序高效地完成工做。

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. 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），之类的。）。而后一直递归的扫描下去，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。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，可是也正由于这种特色，他存在下面两个明显的缺点：

• 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他们，GC也就天然不会回收他们，从而引发了无用的内存占用，就是典型的占着茅坑不拉屎，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。

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。

网上看了下说是实现这种要求的方法有好几种，可是在java中实现的方式是：从我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，由他们来生成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开始的时候，就经过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下栈和寄存器中哪些位置是引用。

 

2.SafePoint（安全点）

上面讲到了为了快点进行可达性的分析，使用了一个引用类型的映射表，能够快速的知道对象内或者栈和寄存器中哪些位置是引用了。

可是随着而来的又有一个问题，就是在方法执行的过程当中， 可能会致使引用关系发生变化，那么保存的OopMap就要随着变化。若是每次引用关系发生了变化都要去修改OopMap的话，这又是一件成本很高的事情。因此这里就引入了安全点的概念。

什么是安全点？OopMap的做用是为了在GC的时候，快速进行可达性分析，因此OopMap并不须要一发生改变就去更新这个映射表。只要这个更新在GC发生以前就能够了。因此OopMap只须要在预先选定的一些位置上记录变化的OopMap就好了。这些特定的点就是SafePoint（安全点）。由此也能够知道，程序并非在全部的位置上均可以进行GC的，只有在达到这样的安全点才能暂停下来进行GC。

既然安全点决定了GC的时机，那么安全点的选择就至为重要了。安全点太少，会让GC等待的时间太长，太多会浪费性能。因此安全点的选择是以程序“是否具备让程序长时间执行的特征”为标准的（这句话是从书上看来的，不知道做者本身能不能看明白这话啥意思，反正我是看不懂），因此咱们这里了解一下结果就好了。通常会在以下几个位置选择安全点：

1. 循环的末尾 
2. 方法临返回前 / 调用方法的call指令后 
3. 可能抛异常的位置

还有一个须要考虑的问题就是，如何让程序在要进行GC的时候都跑到最近的安全点上停顿下来。这里有两种方案：

1. 抢断式中断

抢断式中断就是在GC的时候，让全部的线程都中断，若是这些线程中发现中断地方不在安全点上的，就恢复线程，让他们从新跑起来，直到跑到安全点上。（如今几乎没有虚拟机采用这种方式，缘由不详）

1. 主动式中断

主动式中断在GC的时候，不会主动去中断线程，仅仅是设置一个标志，当程序运行到安全点时就去轮训该位置，发现该位置被设置为真时就本身中断挂起。因此轮训标志的地方是和安全点重合的，另外建立对象须要分配内存的地方也须要轮询该位置。

 

3.安全区域

安全点的使用彷佛解决了OopMap计算的效率的问题，可是这里还有一个问题。安全点须要程序本身跑过去，那么对于那些已经停在路边休息或者看风景的程序（好比那些处在Sleep或者Blocked状态的线程），他们可能并不会在很短的时间内跑到安全点去。因此这里为了解决这个问题，又引入了安全区域的概念。

安全区域很好理解，就是在程序的一段代码片断中并不会致使引用关系发生变化，也就不用去更新OopMap表了，那么在这段代码区域内任何地方进行GC都是没有问题的。这段区域就称之为安全区域。线程执行的过程当中，若是进入到安全区域内，就会标志本身已经进行到安全区域了。那么虚拟机要进行GC的时候，发现该线程已经运行到安全区域，就不会管该线程的死活了。因此，该线程在脱离安全区域的时候，要本身检查系统是否已经完成了GC或者根节点枚举（这个跟GC的算法有关系），若是完成了就继续执行，若是未完成，它就必须等待收到能够安全离开安全区域的Safe Region的信号为止。