java虚拟机学习

Java虚拟机学习记录(六)——HotSpot算法实现

一、前言

在JVM运行的过程中,垃圾回收是性能提升的重中之重,垃圾回收的前提是准确判定哪些对象是可以回收的,在前面的学习中说到,Java的大多数虚拟机都是通过可达性分析算法来判定对象能否回收。那么如何去找这些根节点(GC ROOTS)的位置也是一个要解决的问题。

二、HotSpot枚举根节点(GC Roots)

根节点主要在全局性的引用(常量和类的静态属性)和执行上下文中(例如栈帧的本地变量表中),因为这些区域的占用内存往往很大,不可能去逐个检索,因为这个操作太耗时了。

同样的,可达性分析的时间严格要求还体现在GC停顿上,GC停顿就是指在可达性分析期间所有的Java执行线程得全部停下来,等分析完成之后再开始重新运行,如果不停顿,就可能导致分析期间,引用关系还在不断的改变。很显然,这个停顿时间必须短不然用户体验极差。Sun把这个停顿叫做Stop the world。

HotSpot采用一种叫OopMap的数据结构来记录所有的执行上下文和全局引用位置,这样就可以直接得到所有的GC Roots的地址了。

但是在Java程序运行过程中,有很多指令会导致对象的引用关系发生变化,如果每个变化都要写入到OopMap中,那样就需要维护一个很大的OopMap数据结构,会占用大量的空间。所以在Jvm中有一个安全点(SafePoint)的概念。HotSpot只在安全点处记录了这些信息,然后开始GC。安全点的选定不能太少造成GC等待时间过长,也不能频繁GC增加运行负荷。

如何让所有线程跑到安全点时停止下来,有两种方案可以选择,抢先式中断(Preemptive Suspension)主动式中断(Voluntary Suspension)

其中抢先式中断不需要线程的执行代码主动配合,在GC发生时,首先让所有线程中断,如果发现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响应GC事件。

主动式中断的思想是当GC需要中断线程的时候,不直接对线程操作,仅仅简单地设置一个标志,各个线程去主动轮询这个标志,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,另外加上创建对象需要分配内存的地方。

但是安全点只能很好的解决运行中的程序,对于”不运行”的程序也就也就无法进入安全点,也就无法进行GC。这里的不运行指的是线程没有分配到CPU时间,典型的例子就是线程处于Sleep状态或者Blocked状态,这时候线程是无法响应JVM的中断请求的,”走”安全的地方去中断挂起,JVM显然也不太可能等待线程重新被分配CPU时间。这种情况需要借助安全区域(Safe Region)来解决。

安全区域指的是在一段代码中,引用关系不会发生变化。在这个区域任意开GC都是安全的。我们也可以把安全区域当成是安全点的扩展。

当线程执行到安全区域中时,首先标识自己进入了安全区域。在这段时间内JVM发起GC就不用管安全区域里的线程了。但是在安全区域内的线程重新获得CPU时间要离开Safe Region时,要检查系统是否已经完成了根节点枚举。完成了才能离开否则就要等待完成。

##三 HotSpot垃圾收集器的实现

a.Serial收集器

这是一款最基本,发展历史最悠久的收集器。这个收集器是一个单线程收集器,并且在收集垃圾时,必须暂停其他所有工作线程。适用于作为Client模式下的虚拟机。

b.ParNew收集器

其实就是Serial收集器的多线程版本。在单CPU的环境中,性能比不上Serial收集器,但是多CPU的时候性能是要好过Serial收集器的。

c.parallel Scavenge收集器

新生代收集器,复制算法,这个收集器与其他收集器的区别在于,Parallel Scavenge收集器的目标是达到一个可控制的吞吐量。吞吐量=运行用户代码所花费的时间/(运行用户代码时间+垃圾收集时间)。而其他收集则是关注减少GC停顿的时间。

d.Serial Old收集器

是Serial收集器的老年代版本,使用标记整理算法。也是给Client模式下的虚拟机使用。在server模式下,还有两大用途:1.在JDK1.5之前和Parallel Scavenge配合使用; 2作为CMS收集器的后备预案,在并发收集发生Concurrent Mode Failure失败时使用。

e.Parallell Old收集器

是Parallel Scavenge收集器的老年代版本,使用多线程和标记-整理算法。配合paraller Scavenge使用。

f.CMS收集器

Concurrent Mark Sweep。以获取最短时间停顿为目标,基于“标记-清除”算法。包括四个步骤:
1.初始标记
2.并发标记
3.重新标记
4.并发清除
他有一下几个缺点:
1.对CPU资源敏感,对性能影响大
2.无法清理浮动垃圾
3.容易产生内存碎片,触发Full GC。

g.G1收集器

是一款面向服务器的垃圾收集器。有以下特点:
1.并行和并发
2.分代收集
3.空间整合
4.可预测的停顿

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