3.4.1 根节点枚举

我们以可达性分析算法中从GC Roots集合找引用链这个操作作为介绍虚拟机高效实现的第一个例子。固定可作为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,尽管目标明确,但查找过程要做到高效并非一件容易的事情,现在Java应用越做越庞大,光是方法区的大小就常有数百上千兆,里面的类、常量等更是恒河沙数,若要逐个检查以这里为起源的引用肯定得消耗不少时间。

迄今为止,所有收集器在根节点枚举这一步骤时都是必须暂停用户线程的,因此毫无疑问根节点枚举与之前提及的整理内存碎片一样会面临相似的“Stop The World”的困扰。现在可达性分析算法耗时最长的查找引用链的过程已经可以做到与用户线程一起并发(具体见3.4.6节),但根节点枚举始终还是必须在一个能保障一致性的快照中才得以进行——这里“一致性”的意思是整个枚举期间执行子系统看起来就像被冻结在某个时间点上,不会出现分析过程中,根节点集合的对象引用关系还在不断变化的情况,若这点不能满足的话,分析结果准确性也就无法保证。这是导致垃圾收集过程必须停顿所有用户线程的其中一个重要原因,即使是号称停顿时间可控,或者(几乎)不会发生停顿的CMS、G1、 ZGC等收集器,枚举根节点时也是必须要停顿的。

由于目前主流Java虚拟机使用的都是准确式垃圾收集(这个概念在第1章介绍Exact VM相对于Classic VM的改进时介绍过),所以当用户线程停顿下来之后,其实并不需要一个不漏地检查完所有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到哪些地方存放着对象引用的。在HotSpot 的解决方案里,是使用一组称为OopMap的数据结构来达到这个目的。一旦类加载动作完成的时候, HotSpot就会把对象内什么偏移量上是什么类型的数据计算出来,在即时编译(见第11章)过程中,也会在特定的位置记录下栈里和寄存器里哪些位置是引用。这样收集器在扫描时就可以直接得知这些信息了,并不需要真正一个不漏地从方法区等GC Roots开始查找。

下面代码清单3-3是HotSpot虚拟机客户端模式下生成的一段String::hashCode()方法的本地代码,可以看到在0x026eb7a9处的call指令有OopMap记录,它指明了EBX寄存器和栈中偏移量为16的内存区域中各有一个普通对象指针(Ordinary Object Pointer,OOP)的引用,有效范围为从call指令开始直到0x026eb730(指令流的起始位置)+142(OopMap记录的偏移量)=0x026eb7be,即hlt指令为止。

代码清单3-3 String.hashCode()方法编译后的本地代码

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
[Verified Entry Point]
0x026eb730: mov %eax,-0x8000(%esp)
…………
;; ImplicitNullCheckStub slow case
0x026eb7a9: call 0x026e83e0 ; OopMap{ebx=Oop [16]=Oop off=142}
; *caload
; - java.lang.String::hashCode@48 (line 1489)
; {runtime_call}
0x026eb7ae: push $0x83c5c18 ; {external_word}
0x026eb7b3: call 0x026eb7b8
0x026eb7b8: pusha
0x026eb7b9: call 0x0822bec0 ; {runtime_call}
0x026eb7be: hlt