Java 虚拟机枚举 GC Roots 解析

原始链接：https://www.leahy.club/archives/gcroots

最近在复习JVM，在看《深入理解Java虚拟机》中关于GC Roots的描述不是很明白，就收集了相关资料整理如下：

在实际的垃圾回收器实现中，为了实现高性能还必须考虑一下几点：

枚举根节点：

首先需要明确GC Roots在哪里？

对于一个 Java 程序而言，对象都位于堆内存块中，存活的那些对象都被根节点引用着，即根节点 GC Roots 是一些引用类型，自然不在堆里，答案是放在栈里，包括：
- Local variables 本地变量
- Static variables 静态变量
- JNI References JNI引用等
其次如何高效地找到GC Roots并进行可达性分析？

为了降低STW的时间，虚拟机应该直接知道哪些地方存放着对象引用，那么对于栈中的Reference类型如何知道其具体的引用信息呢？在Hotspot中，使用一组称为OopMap的数据结构来达到这个目的。

OopMap本质就是映射表，每个对象自身都维护一个OopMap，记录了在该类型的对象内什么偏移量上是什么类型的数据，这些信息是在类加载阶段计算得到的。

在源代码里面每个变量都是有类型的，但是编译之后的代码就只有变量在栈上的位置了，而这个位置上只存放了地址信息，无法得知其具体的引用信息。那么OopMap是对象自身的一个附加的信息，告诉你栈上哪个位置本来是个什么东西，那么就可以解决这个问题了。这个信息是在JIT编译时跟机器码一起产生的。因为只有编译器知道源代码跟产生的代码的对应关系。

所以在栈中扫描GC Roots时，都是在外部维护一个集合GC Roots Set，这个集合中存储Reference类型变量的OopMap信息。再根据具体的OopMap信息来做进一步的可达性分析。
安全点

有了OopMap，Hotspot就可以快速准确地完成GC Roots枚举。但是在实际使用中，我们只会选择特定的位置来记录OopMap，因为如果对于每条指令位置都记录OopMap的话，这些记录就会造成巨大的空间开销，所以选用一些关键点来记录可以缩小需要记录的数据量。因此，Hotspot中的GC不是任意位置都可以进行的，只能在safepoint才可以进行。
安全区域

在多线程情况下，光有安全点是不够的，因为无法保证在运行的线程在GC时都处在安全点。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。我们也可以把Safe Region看做是被扩展了的Safepoint。在线程执行到Safe Region中的代码时，首先标识自己已经进入了Safe Region，那样，当在这段时间里JVM要发起GC时，就不用管标识自己为Safe Region状态的线程了。在线程要离开Safe Region时，它要检查系统是否已经完成了根节点枚举（或者是整个GC过程），如果完成了，那线程就继续执行，否则它就必须等待直到收到可以安全离开Safe Region的信号为止。