HotSpot的算法实现

上一篇文章垃圾回收机制（GC）从理论上介绍了对象存活判定算法和垃圾收集算法，而在HotSpot虚拟机上实现这些算法时，必须对算法的执行效率有严格的考量，才能保证虚拟机高效运行。

枚举根节点

　　以可达性分析中从GC Roots 节点找引用链这个操作为例，可作为GC Roots 的节点主要在全局性的引用（例如常量或类静态属性）与执行上下文（例如栈帧中的本地变量表）中，现在的很多应用仅仅方法区就有数百兆，如果要逐个检查这里面的引用，那么必然会消耗很多时间。

　　另外，可达性分析对执行时间的敏感还体现在GC停顿上，因为这项分析工作必须在一个能确保一致性的快照中进行—这里的一致性的意思是指在整个分析期间整个执行系统看起来像被冻结在某个时间点上，不可以出现在分析过程中对象引用关系还在不断的变化，该点不满足的话分析结果的准确性就无法得到保证。这点导致GC进行时必须停顿所有Java执行线程（Sun称这件事情为“Stop The World”）的其中一个重要的原因，即使在号称（几乎）不会发生停顿的CMS收集器中，枚举根节点时也是必须要停顿的。

　　目前主流的Java虚拟机使用的都是准确式GC，所以当执行系统停顿下来后，并不需要一个不漏的检查完所有的执行上下文和全局的引用位置，虚拟机应当是有办法直接得知哪些地方存在着对象引用。在HotSpot的实现中，是使用一组称为OopMap的数据结构来达到这个目的的，在类加载完成的时候，HotSpot就把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来，在JIT编译过程中，也会在特定的位置记录下栈和寄存器中哪些位置是引用。这样，GC在扫描时就可以直接得知这些信息了。

安全点（Safepoint）

　　在OopMap的协助下，HotSpot可以快速且准确的完成GC Roots枚举，但一个很现实的问题随之而来：可能导致引用关系变化，或者说OopMap内容变化的指令非常多，如果为每一条指令都生成对应的OopMap，那么将需要大量的额外空间，这样GC 的空间成本将会变得很高。

　　实际上，HotSpot也的确没有为每条指令都生成OopMap，前面已经提到，只是在“特定的位置”记录这些信息，这些问题称为（Safepoint），即程序执行时并非所有地方都能停顿下来开始GC，只有到达安全点才能暂停。Safepoint的选定既不能太少以至于让GC等待时间太长，也不能过于频繁以至于过分增大运行时负荷。所以，安全点的选定基本上是以程序“是否具有让程序长时间执行的特征”为标准进行选定的—因为每条指令执行的时间都非常短暂，程序不太可能因为指令流长度太长这个原因而过长时间运行，“长时间执行”的最明显特征就是指令序列复用。例如：方法调用、循环跳转、异常跳转等，所以具有这些功能的指令才会产生Safepoint。

　　对于Safepoint，另外一个需要考虑的问题是如何在GC发生时让所有线程（这里不包括执行JNI调用的线程）都跑到最近的安全点再停顿下来，有两种方案：

　　　　1. 抢先式中断（Preemptive Suspension）：在GC发生时，首先把所有线程全部中断，如果发现有线程中断的地方不在安全点上，就恢复线程，让其跑到安全点上；（几乎没有虚拟机使用这种方式）

　　　　2. 主动式中断（Voluntary Suspension）：当GC需要中断线程时，不直接对线程操作，仅仅简单设置一个标志，各个线程执行时主动去轮询这个标志，发现中断标志为真时就自己中断挂起。其中轮询标志的地方和安全点是重合的，另外再加上创建对象需要分配内存的地方。

安全区域（Safe Region）

　　上面讲述的Safepoint似乎已经完美的解决了如何进入GC的问题，但实际情况却不一定。Safepoint机制保证了程序执行时，在不长的时间内就会遇到可进入GC的Safepoint。但是，程序不执行的时候呢？所谓的程序不执行就是没有分配CPU时间，典型的例子就是线程处于sleep状态或者Blocked状态，这时候线程无法响应JVM的中断请求，“走”到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，就需要安全区域来解决了。

　　安全区域是指在一段代码片段之中，引用关系不会发生变化。在这个区域中的任意地方开始GC都是安全的。可以把安全区域看做是扩展了的安全点。

　　在线程执行到安全区域的代码时，首先标识自己进入到了安全区域，这样，当这段时间内JVM要发起GC时，就不用管标识自己为安全区域状态的线程了；在线程要离开安全区域时，它要检查是否系统已经完成了枚举根节点（或整个GC过程），如果完成了，那么线程就继续执行，否则就必须等待到直到收到可以安全离开安全区域的信号为止。

以上就是HotSpot虚拟机如何发起内存回收的问题。

垃圾收集器

垃圾收集器就是上面讲的理论知识的具体实现了。不同虚拟机所提供的垃圾收集器可能会有很大差别，我们使用的是HotSpot，HotSpot这个虚拟机所包含的所有收集器如图：

上图展示了7种作用于不同分代的收集器，如果两个收集器之间存在连线，那说明它们可以搭配使用。虚拟机所处的区域说明它是属于新生代收集器还是老年代收集器。多说一句，我们必须要明白一个道理：没有最好的垃圾收集器，更加没有万能的收集器，只能选择对具体应用最合适的收集器。这也是HotSpot为什么要实现这么多收集器的原因。OK，下面一个一个看一下收集器：

1、Serial收集器

　　最基本、发展历史最久的收集器，这个收集器是一个采用复制算法的单线程的收集器，单线程一方面意味着它只会使用一个CPU或一条线程去完成垃圾收集工作，另一方面也意味着它进行垃圾收集时必须暂停其他线程的所有工作，直到它收集结束为止。后者意味着，在用户不可见的情况下要把用户正常工作的线程全部停掉，这对很多应用是难以接受的。不过实际上到目前为止，Serial收集器依然是虚拟机运行在Client模式下的默认新生代收集器，因为它简单而高效。用户桌面应用场景中，分配给虚拟机管理的内存一般来说不会很大，收集几十兆甚至一两百兆的新生代停顿时间在几十毫秒最多一百毫秒，只要不是频繁发生，这点停顿是完全可以接受的。

2、ParNew收集器

　　ParNew收集器其实就是Serial收集器的多线程版本，除了使用多条线程进行垃圾收集外，其余行为和Serial收集器完全一样，包括使用的也是复制算法。ParNew收集器除了多线程以外和Serial收集器并没有太多创新的地方，但是它却是Server模式下的虚拟机首选的新生代收集器，其中有一个很重要的和性能无关的原因是，除了Serial收集器外，目前只有它能与CMS收集器配合工作（看图）。CMS收集器是一款几乎可以认为有划时代意义的垃圾收集器，因为它第一次实现了让垃圾收集线程与用户线程基本上同时工作。ParNew收集器在单CPU的环境中绝对不会有比Serial收集器更好的效果，甚至由于线程交互的开销，该收集器在两个CPU的环境中都不能百分之百保证可以超越Serial收集器。当然，随着可用CPU数量的增加，它对于GC时系统资源的有效利用还是很有好处的。它默认开启的收集线程数与CPU数量相同，在CPU数量非常多的情况下，可以使用-XX:ParallelGCThreads参数来限制垃圾收集的线程数。

3、Parallel收集器

　　Parallel收集器也是一个新生代收集器，也是用复制算法的收集器，也是并行的多线程收集器，但是它的特点是它的关注点和其他收集器不同。介绍这个收集器主要还是介绍吞吐量的概念。CMS等收集器的关注点是尽可能缩短垃圾收集时用户线程的停顿时间，而Parallel收集器的目标则是打到一个可控制的吞吐量。所谓吞吐量的意思就是CPU用于运行用户代码时间与CPU总消耗时间的比值，即吞吐量=运行用户代码时间/（运行用户代码时间+垃圾收集时间），虚拟机总运行100分钟，垃圾收集1分钟，那吞吐量就是99%。另外，Parallel收集器是虚拟机运行在Server模式下的默认垃圾收集器。

停顿时间短适合需要与用户交互的程序，良好的响应速度能提升用户体验；高吞吐量则可以高效率利用CPU时间，尽快完成运算任务，主要适合在后台运算而不需要太多交互的任务。

虚拟机提供了-XX:MaxGCPauseMillis和-XX:GCTimeRatio两个参数来精确控制最大垃圾收集停顿时间和吞吐量大小。不过不要以为前者越小越好，GC停顿时间的缩短是以牺牲吞吐量和新生代空间换取的。由于与吞吐量关系密切，Parallel收集器也被称为“吞吐量优先收集器”。Parallel收集器有一个-XX:+UseAdaptiveSizePolicy参数，这是一个开关参数，这个参数打开之后，就不需要手动指定新生代大小、Eden区和Survivor参数等细节参数了，虚拟机会根据当亲系统的运行情况手机性能监控信息，动态调整这些参数以提供最合适的停顿时间或者最大的吞吐量。如果对于垃圾收集器运作原理不太了解，以至于在优化比较困难的时候，使用Parallel收集器配合自适应调节策略，把内存管理的调优任务交给虚拟机去完成将是一个不错的选择。

4、Serial Old收集器

　　Serial收集器的老年代版本，同样是一个单线程收集器，使用“标记-整理算法”，这个收集器的主要意义也是在于给Client模式下的虚拟机使用。

5、Parallel Old收集器

　　Parallel收集器的老年代版本，使用多线程和“标记-整理”算法。这个收集器在JDK 1.6之后的出现，“吞吐量优先收集器”终于有了比较名副其实的应用组合，在注重吞吐量以及CPU资源敏感的场合，都可以优先考虑Parallel收集器+Parallel Old收集器的组合。

6、CMS收集器

　　CMS收集器是一种以获取最短回收停顿时间为目标的老年代收集器。目前很大一部分Java应用集中在互联网站或者B/S系统的服务端上，这类应用尤其注重服务的响应速度，希望系统停顿时间最短，以给用户带来较好的体验，CMS收集器就非常符合这类应用的需求。CMS收集器从名字就能看出是基于“标记-清除”算法实现的。

7、G1收集器

　　G1（Garbage-First）收集器是当今收集器技术发展的最前沿成果之一，JDK 7 Update 4后开始进入商用。在G1收集器之前的其他收集器进行收集的范围都是整个新生代或者老年代，而G1收集器不再是这样，使用G1收集器时，Java堆的内存布局就与其他收集器有很大差别，它将整个Java堆分为多个大小相等的独立区域（Region），虽然还保留有新生代和老年代的概念，但新生代和老年代不再是物理隔离的了，它们都是一部分Region的集合。G1收集器跟踪各个Region里面的垃圾堆积的价值大小，在后台维护一个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先回收价值最大的Region（这也是Garbage-First名称的由来）。这种使用Region划分内存空间以及有优先级的区域回收方式，保证了G1收集器在有限的时间内可以获取尽可能高的收集效率。

 参考：《深入理解Java虚拟机》 周志明 编著：