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深刻了解 JVM – Hotspot 算法细节
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前言
这一节来专门讨论一下 HotSpot 的算法的细节内容，内容说难也不难，说容易也的确不容易，有很多要了解的内容，集体在做这次文章的时候，有了更深的了解。
思维导图
如果懒得看文字，这里整顿了一份思维导图帮忙了解：
地址：https://www.mubucm.com/doc/1q…
概述
- 可达性算法的大抵内容和简述，以及 JAVA 固定 GC ROOT 的断定条件
- 根节点枚举的实现细节，讲述什么事平安点和平安区域，以及他们的理论作用
- 记忆集和卡集，一个是形象一个是具体实现，在外部通过写屏障来维持援用关系的改变，介绍对于伪共享问题的解决方案
- 并发可达性剖析当中的三色标记是一个高频“考点”，以及 Hotspot 是如何应答对象隐没问题的。
可达性算法
在介绍具体的内容之前，这里先补充一下根底内容：什么是可达性算法呢？简略来讲实质就是 判断对象是否已死？个别实现的形式有上面这几种：
援用计数法
实现的形式和原理非常简略，同样也非常的高效，就是当为每一个对象绑定一个援用计数器，当对象存活，则援用计数器 +1，援用生效，则计数器 -1，尽管这个计数器要耗费肯定的空间，然而的确是效率非常高的形式。当然他的毛病也非常显著，如果存在 循环援用，会导致对象永远不能断定为死亡。
循环援用：A 援用 B，B 援用 C，C 援用 D，D 援用 A
JAVA 固定作为 GC Root 的断定条件
这里单纯作为笔记进行记录：
- 虚拟机栈援用的对象
- 办法区的 动态属性援用对象 ，也就是
static对象属性 - 办法区的常量援用，比方
final援用的动态常量 - 本地办法栈的 JNI，即 Native 办法援用对象
- 虚拟机外部的，根本类型对应的 Class 对象，常驻异样对象 Null… 等
- 同步锁（Syncronized）持有对象
根节点枚举
介绍
在可达性算法当中是通过 GC ROOT 的援用找到存活对象的形式，在古代的收集器根本能够做到和用户线程一起并发执行的水平，然而根节点枚举要保障某个工夫点的“快照”，这也意味着根节点枚举须要 暂停用户线程。
OopMap 数据结构
在 HotSpot 中应用的是 OopMap 的构造，用于存储对象的类型，或者存储特定地位记录栈外面的寄存器哪些地位是援用，垃圾收集器扫描的时候就能够间接从对应的地位开始，不须要大范畴的扫描动作。
这种构造会存在哪些问题？
这里能够看到，如果每一次对象的读取变动，都须要往 OopMap 外面存储内容，会导致 OopMap 的内容一直臃肿扩充，垃圾收集器的扫描老本会变得十分的低廉。
为了应答这一类问题，HotSpot 引入了“平安点这一机制进行解决”
平安点
OopMap 不会在任意的地位都收集相干的指令，而是应用一个平安点的货色，这个平安点用艰深的话了解就是高速上的“免费点”，而设置平安点的条件是：是否具备程序长时间运行特色。
平安点有什么用？
毫无疑问，平安点是为了加重 OopMap 存储构造的压力，同时保障垃圾回收的时候不须要扫描过多的 GC ROOT。
毛病：这也决定了 JVM 虚拟机不能在任意的地位进行垃圾收集，而是要进入事后设定的“收费站”进行垃圾回收
如何触发平安点?
实现形式有两种：抢断式中断 和主动式中断
须要留神的是古代曾经没有虚拟机应用“领先式中断”暂停线程来响应 GC 事件，也就意味着垃圾收集的行为都是 虚拟机被动执行 的，而不是通过争抢的形式解决。
平安点采纳主动式中断，当垃圾收集器须要中断线程，会事后设置标记，并且各个线程会轮询标记位，一旦达到平安点左近就中断挂起（有点像检查站告诉查看）为了保障运行的高效性，JVM 将应用 内存保护陷阱 的形式进行自陷中断，并且这条汇编指令精简为一条，能够大大提高轮询的效率。当线程收到自陷信号，就天然会触发线程中断了。
然而这里是存在问题的，如果线程自身存在阻塞期待，或者睡眠的状况下，平安点不可能始终期待线程中断，所以这里又引入了平安区域的概念
平安区域
平安区域的次要作用是确保安全点一段的工夫内，援用的关系不产生扭转，为了实现判断，他做了上面的事件：
-
判断以后线程是否进入了平安区域，如果进入了进行上面的判断
- 如果没有实现根节点枚举，则须要期待实现根节点枚举能力放行
- 如果曾经实现根节点枚举，则会间接放行线程。
这里你能够设想在高速上期待出站，在这个区间内你要实现节点的根枚举操作才准许放行
记忆集与卡表
在理解这两个名词之前，咱们须要记住 他们的目标是 解决对象跨代援用的问题，在传统的分代零碎中，存在老年代援用新生代之间的互相援用，那么 JVM 是如何判断哪些对象援用是生效，哪些对象援用须要存活保留呢？
记忆集(RememberedSet)
首先来看下 记忆集（RememberedSet）是什么货色，在源代码的构造中他被申明为一个 Object[] 的数组构造，能够看到保护这种构造的代价是非常昂扬的，所以为了节俭记忆集的保护老本，存在如下的解决方案：
- 字长精度：准确到机器字长（处理器的寻址位数）
- 对象精度：顾名思义，准确到一个对象
- 卡精度：准确到一块内存区域，实现最简略的形式是一个字节数组
卡表
留神卡表是记忆集的一种实现形式，切忌和记忆集一概而论，他们的关系和办法区以及永恒代或者元空间的关系相似，是一种 形象与实现 的关系。
既然卡精度是针对一块内存区域，而 JVM 刚好又是采纳了固定分代来实现垃圾回收的，所以毫无疑问应用的是卡精度来实现。
HotSpot 应用的卡精度实现恰好也是应用一个字节数组来实现，卡页是 2 个 N 次幂数，最终应用的是 2 的 9 次方也就是 512 长度 的字节数组来构建一个卡表。
如何操作？
HotSpot 检测到对象存在跨代指针的时候，就会把数组的标记为 1，没有就会标记位 0，这个过程称为“变脏”，如果垃圾收集器开启并且扫描到以后的元素变脏，团聚放入到 GC ROOT 当中进行扫描。
写屏障
后续的内容，请在心里记住如下的问题：
- 卡表如何保护？
- 写屏障的伪共享问题
- 谁来让元素变脏
- 什么是写屏障
- 如何保护整个卡表
定义：
咱们晓得了卡表如何定义，并且如何进行判断的，然而咱们还不分明卡表是如何进行保护的，那么什么是写屏障呢？写屏障能够认为是虚拟机层面 对于“援用字段类型”的 AOP 的切面 ，写屏障还分为 写前屏障 和写后屏障。这里后续在进行探讨。
作用：
写屏障的作用是：保护卡表以及让卡表变脏，并且把保护卡表的操作搁置到每一次赋值操作当中。
那么他是如何做到的呢，咱们上一大节讲了 HotSpot 通过卡表变脏实现跨代援用和 GC ROOT 的判断。那么写屏障的作用就是在赋值的操作之前实现卡表的保护。
总结：
- 卡表如何保护？应用写屏障进行保护
- 谁来让元素变脏？在写屏障中通过 AOP 的切面在赋值操作中通过指令实现
- 什么是写屏障？赋值操作的 AOP 切面
- 如何保护整个卡表？OopMap 和写屏障
这里必定会有疑难，在赋值操作之前退出写屏障会不会有性能问题？
JVM 设计团队是必定思考过这个问题的，最终的后果是尽管要耗费肯定的赋值操作效率和性能，然而和频繁的 Minor GC 相比代价还是要小很多的。
写前和写后屏障是什么？
其实就是在赋值操作的 AOP 切面的后面或者前面操作，也就是通常 AOP 盘绕后面的前置操作和后置操作，伪代码如下：
doSomethingFront(); // 写前屏障
proxy.proxy();
doSomethingAfter(); // 写后屏障 另外再提一点，CMS 应用了写后屏障，而G1 既应用了写前屏障，又应用了写后屏障。
伪共享问题
什么是伪共享？在解决底层并发的时候须要思考的问题，因为古代处理器因为缓存等问题，指令其实是打乱之后执行的，如果多个变量共享一个缓存行，他们就会彼此之间产生影响。
解决办法：
解决办法比较简单的一种是 查看卡表标记，只有卡表元素查看之后才会让元素产生变脏 ，当然这样又会损失肯定的性能，然而是能够承受的。针对这一点 JDK7 减少了一个：+UseCondCardMark 参数来管制表更新元素的条件。
并发可达性剖析：
通过下面的剖析，咱们理解了 JVM 是如何实现对象之间的援用寄存，以及如何实现 GC ROOT 以及如何让线程期待垃圾收集等一系列问题，上面咱们来看下更细节的局部，咱们都晓得对象的援用不是变化无穷的，比方在 GC ROOT 之前对象援用忽然生效，垃圾对象忽然变为存活对象 …. 这些状况都是有可能的，那么面对复杂多变的 援用关系变动 HotSpot 是如何解决这个简单的问题的呢？
要解决这个问题的要害 如何保障“一致性快照”，针对这一点，HotSpot 虚拟机应用了“三色标记”这一个重要的概念。
三色标记
为了保护一个对象的拜访状态，在遍历对象过程中，Hotspot 会将对象标记为上面的三种状态：
- 红色：示意尚未被垃圾收集器拜访过
- 彩色：示意对象曾经被垃圾收集器拜访过，并且 所有的援用都扫描过，意味着他不可能间接指向某个红色对象
- 灰色（重点）：示意曾经被垃圾收集器拜访过，至多有一个援用没有被扫描完。
“对象隐没”的成立条件
在书本 165 页左右（集体看的是 PDF）有一张示意图，这里简要阐明一下“对象隐没”的问题：
- 垃圾变为存活对象：被切断的援用灰色对象行将变为红色对象通过并发线程批改和彩色对象产生援用。
- 存活对象变垃圾：被标记为红色的对象忽然与扫描过的彩色对象产生援用。
这里有个不能容忍的问题是本来存活的对象被标记为死亡。会间接导致系统呈现委托，这是不能容忍的。
有大神总结了会呈现对象隐没问题的两个条件，只有排除 任意一个 就能够避免对象隐没的问题：
- 赋值插入一条或者多条从彩色对象到红色对象的新援用
- 赋值删除了全副从灰色对象到红色对象的间接或者间接援用。
增量更新和原始快照
解决下面的问题，JVM 有两种形式，别离是“增量更新”和“原始快照”，增量更新是排除第一个条件，原始快照排除第二个条件。
增量更新 ：记录下彩色援用插入到红色对象的援用关系，并发标记完结之后以记录过的援用对象为根 从新扫描。CMS 的“从新标记”阶段的底层就是在做这个事件。
原始快照：原始快照指的是灰色对象删除红色援用的时候，把要删除的援用记录下来，并发扫描之后，再依据记录过援用关系的灰色对象为根进行扫描。G1 和 Shenandoah 收集器就是应用这种形式实现的。
这里的简化了解就是，增量更新是尝试将红色对象变为灰色对象，而原始快照则是让灰色对象真的变回红色对象
总结：
HotSpot 的细节包含三个难点，一个是根节点枚举，咱们讲述了底层构造 OopMap，能够看到他实质就是一个数组，之后咱们讲到了平安点的设计相似收费站查看的形式进步根节点枚举的效率，接着咱们讲述了平安区域，好比免费出站，对于没有进行过根节点枚举的就会阻塞期待进行解决，这些设计的基本目标是 保障垃圾收集器进展用户线程的时候领有一份不会扭转援用的快照。
接着咱们讲述了形象的记忆集以及 Hotspot 的实现卡表这一构造，卡表的作用是保留对象的援用关系以及跨代援用等，而批改和保护的工作则是由写屏障实现，写屏障的工作是在赋值操作的前后对于卡表外面的对应援用进行调整，保障对象能够正确归类为垃圾对象和存活对象。
最初，咱们讲述了并发批改的时候，Hotspot 如何保障快照的正确性以及避免用户线程并发批改 ” 篡改 ” 对象的状态，首先是应用三色标记，将对象标记为垃圾对象，未扫描实现的对象，和已扫描实现的对象，同时为了反抗对象隐没的问题，提出了“原始快照”和“增量更新”的解决方案。
写在最初
写稿不易，求赞，求珍藏。本文有大量的文字说明，倡议珍藏缓缓看。
最初举荐一下集体的微信公众号：“懒时小窝”。有什么问题能够通过公众号私信和我交换，当然评论的问题看到的也会第一工夫解答。
