1. 根節(jié)點(diǎn)枚舉
1.1 暫停用戶線程
迄今為止，所有收集器在根節(jié)點(diǎn)枚舉這一步驟都是必須暫停用戶線程的。即便是號(hào)稱停頓時(shí)間可控、或者（幾乎）不會(huì)發(fā)生停頓的 CMS乔妈、G1、ZGC 等收集器氓皱，枚舉根節(jié)點(diǎn)時(shí)也必須要停頓路召。
這也是導(dǎo)致垃圾收集過(guò)程必須停頓所有用戶線程的一個(gè)重要原因。
1.2 如何高效查找引用鏈
目前主流 JVM 使用的都是準(zhǔn)確式垃圾收集匀泊，因此虛擬機(jī)有辦法直接知道哪些地方存放著對(duì)象的引用优训。而 HotSpot 是使用一組稱為 OopMap 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
一旦類加載動(dòng)作完成各聘，HotSpot
就會(huì)把對(duì)象內(nèi)什么偏移量上是什么類型的數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)（在即時(shí)編譯過(guò)程中揣非，也會(huì)在「特定的位置」記錄下棧和寄存器中哪些位置是引用），這樣收集器在掃描時(shí)就能直接得知這些信息躲因，不必挨個(gè)從方法區(qū)等
GC Roots 開(kāi)始查找了早敬。從而可以提高查找效率。
普通對(duì)象指針：Ordinary Object Pointer, OOP
2. 安全點(diǎn)
2.1 概述
前面「特定的位置」記錄了引用信息大脉，這些位置被稱為安全點(diǎn)（Safepoint）搞监。
用戶程序執(zhí)行時(shí)，并非在代碼指令流的任意位置都能停下來(lái)開(kāi)始垃圾收集镰矿，而是強(qiáng)制要求必須執(zhí)行到安全點(diǎn)后才能暫停琐驴。
可以用高速公路上行駛的汽車做類比：高速公路上行駛的汽車（用戶線程）不是在任何地方都能停下來(lái)的，只有到了服務(wù)區(qū)（安全點(diǎn)）才能停下秤标。
2.2 安全點(diǎn)選取
安全點(diǎn)的選取既不能太多绝淡，也不能太少：
若太少，收集器會(huì)等待過(guò)長(zhǎng)時(shí)間苍姜；
若太多牢酵，則會(huì)過(guò)分增加運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存負(fù)荷。
安全點(diǎn)位置的選取標(biāo)準(zhǔn)：是否具有讓程序長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行的特征衙猪。什么樣的程序會(huì)長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行呢馍乙？
最明顯的特征就是指令序列的復(fù)用布近，如方法調(diào)用、循環(huán)跳轉(zhuǎn)丝格、異常跳轉(zhuǎn)等撑瞧，只有具備這些功能的指令才會(huì)產(chǎn)生安全點(diǎn)。
2.3 如何讓線程跑到最近的安全點(diǎn)
垃圾收集發(fā)生時(shí)铁追，如何讓所有線程（不包括 JNI 調(diào)用的線程）都跑到最近的安全點(diǎn)季蚂、然后停頓下來(lái)呢？有如下兩種方案可以采用琅束。
2.3.1 搶先式中斷
思想：無(wú)需用戶線程代碼配合，垃圾收集時(shí)算谈，系統(tǒng)首先把所有用戶線程全部中斷涩禀；此時(shí)若有用戶線程不在安全點(diǎn)，則恢復(fù)執(zhí)行然眼，直至它到達(dá)安全點(diǎn)再中斷艾船。
這種方案現(xiàn)在幾乎不用了。
2.3.2 主動(dòng)式中斷
思想：垃圾收集需要中斷線程時(shí)高每，不直接操作線程屿岂，只是設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位，各個(gè)線程執(zhí)行過(guò)程中不停地主動(dòng)輪詢?cè)摌?biāo)志位鲸匿，若標(biāo)志位為真爷怀，則在自己最近的安全點(diǎn)主動(dòng)中斷掛起。
輪詢標(biāo)志的地方和安全點(diǎn)是重合的带欢。
如何高效輪詢呢运授？HotSpot 使用內(nèi)存保護(hù)陷阱的方式，通過(guò)一條匯編指令來(lái)完成安全點(diǎn)輪詢和觸發(fā)線程中斷乔煞。
2.4 優(yōu)缺點(diǎn)
安全點(diǎn)機(jī)制保證了程序執(zhí)行時(shí)吁朦，在不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)就會(huì)遇到可進(jìn)入垃圾收集過(guò)程的安全點(diǎn)。
但是渡贾，無(wú)法解決程序“不執(zhí)行”的情況（比如用戶線程處于 Sleep 或者 Blocked 狀態(tài)）逗宜，由于此時(shí)線程無(wú)法響應(yīng)虛擬機(jī)的中斷請(qǐng)求，無(wú)法再走到安全點(diǎn)掛起自己空骚。
3. 安全區(qū)域
3.1 概述
為了解決安全點(diǎn)機(jī)制中程序“不執(zhí)行”的情況纺讲，從而引入了安全區(qū)域（Safe Region）。
安全區(qū)域是指能夠確保在某一段代碼片段中府怯，引用關(guān)系不會(huì)發(fā)生變化刻诊，因此在這個(gè)區(qū)域中任意地方開(kāi)始垃圾收集都是安全的∥可以理解擴(kuò)展拉伸的安全點(diǎn)则涯。
3.2 實(shí)現(xiàn)思路
當(dāng)用戶線程執(zhí)行到安全區(qū)域里的代碼時(shí)复局，會(huì)標(biāo)識(shí)自己已經(jīng)進(jìn)入了安全區(qū)域。
虛擬機(jī)發(fā)起垃圾收集時(shí)粟判，不必理會(huì)已聲明在安全區(qū)域的線程亿昏；而當(dāng)線程離開(kāi)安全區(qū)域時(shí)，會(huì)檢查虛擬機(jī)是否已經(jīng)完成根節(jié)點(diǎn)枚舉（或者其他暫停用戶線程的階段）：
若完成档礁，則繼續(xù)執(zhí)行角钩；
否則就必須等待，直至收到可以離開(kāi)安全區(qū)域的信號(hào)呻澜。
4. 記憶集與卡表
4.1 跨代引用問(wèn)題
分代收集理論中递礼，為了解決對(duì)象跨代引用所帶來(lái)的問(wèn)題，垃圾收集器在新生代建立了名為記憶集（Remembered Set）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)羹幸，以避免把整個(gè)老年代加入 GC Roots 的掃描范圍脊髓。
實(shí)際上，所有涉及部分區(qū)域收集（Partial GC）行為的垃圾收集器（例如 G1栅受、ZGC将硝、Shenandoah 等）都會(huì)面臨同樣的問(wèn)題。
4.2 記憶集
「記憶集」是一種抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)屏镊，用于記錄從「非收集區(qū)域」指向「收集區(qū)域」的指針集合依疼。
垃圾收集場(chǎng)景中，收集器只需通過(guò)記憶集判斷出某一塊非收集區(qū)域是否存在指向收集區(qū)域的指針即可而芥，無(wú)需了解跨代引用指針的全部細(xì)節(jié)律罢。
因此，在實(shí)現(xiàn)記憶集時(shí)蔚出，可以采用不同的記錄粒度弟翘，以節(jié)省記憶集的存儲(chǔ)和維護(hù)成本，幾種精度舉例如下：
字長(zhǎng)精度：每個(gè)記錄精確到一個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)（處理器的尋址位數(shù)骄酗，如常見(jiàn)的 32 位或 64 位）稀余，該字包含跨代指針
對(duì)象精度：每個(gè)記錄精確到一個(gè)對(duì)象，該對(duì)象中有字段包含跨代指針
卡精度：每個(gè)記錄精確到一塊內(nèi)存區(qū)域趋翻，該區(qū)域中有對(duì)象包含跨代指針
4.3 卡表
4.3.1 記憶集&卡表
其中睛琳，上述第三種“卡精度”指的是用一種“卡表（Card Table）”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)記憶集，也是目前最常用的實(shí)現(xiàn)方式踏烙。
記憶集與卡表的關(guān)系：可類比 Java 語(yǔ)言中接口與實(shí)現(xiàn)類的關(guān)系（比如 Map 與 HashMap）师骗。
4.3.2 卡表&卡頁(yè)
卡表最簡(jiǎn)單的形式可以是一個(gè)字節(jié)數(shù)組，數(shù)組中的每個(gè)元素都對(duì)應(yīng)著其標(biāo)識(shí)的內(nèi)存區(qū)域中一塊特定大小的內(nèi)存塊讨惩，該內(nèi)存塊稱為“卡頁(yè)（Card Page）”辟癌，它們的關(guān)系如圖所示：
一個(gè)卡頁(yè)的內(nèi)存中通常包含不止一個(gè)對(duì)象，只要卡頁(yè)內(nèi)有一個(gè)（或更多）對(duì)象的字段存在跨代指針荐捻，就將對(duì)應(yīng)卡表的數(shù)組元素的值標(biāo)識(shí)為 1黍少，稱為該元素變臟（Dirty）寡夹，若無(wú)則標(biāo)識(shí)為 0.
4.4 卡表的維護(hù)
卡表什么時(shí)候變臟？誰(shuí)來(lái)把它變臟呢厂置？
何時(shí)：當(dāng)有其他分代區(qū)域中的對(duì)象引用了本區(qū)域?qū)ο髸r(shí)菩掏，其對(duì)應(yīng)的卡表元素就應(yīng)該變臟。
如何變臟：HotSpot 虛擬機(jī)是通過(guò)寫(xiě)屏障實(shí)現(xiàn)的昵济。
下面介紹什么是寫(xiě)屏障智绸。
5. 寫(xiě)屏障
5.1 簡(jiǎn)述
寫(xiě)屏障（Write Barrier）可以看做在虛擬機(jī)層面對(duì)“引用類型字段賦值”動(dòng)作的 AOP 切面，賦值前的寫(xiě)屏障稱為“寫(xiě)前屏障（Pre-Write Barrier）”访忿，賦值后的寫(xiě)屏障稱為“寫(xiě)后屏障（Post-Write Barrier）”瞧栗。
應(yīng)用寫(xiě)屏障后，虛擬機(jī)會(huì)為所有賦值操作生成相應(yīng)的指令海铆，一旦收集器在寫(xiě)屏障中增加了更新卡表操作沼溜，無(wú)論更新的是不是老年代對(duì)新生代的引用，每次只要對(duì)引用進(jìn)行更新游添，就會(huì)產(chǎn)生額外的開(kāi)銷。
5.1 偽共享問(wèn)題
5.1.1 偽共享
除了寫(xiě)屏障的開(kāi)銷通熄，高并發(fā)場(chǎng)景下還存在“偽共享（False Sharing）”問(wèn)題：即唆涝，多線程修改互相獨(dú)立的變量時(shí)，如果這些變量恰好共享一個(gè)緩存行唇辨，會(huì)彼此影響而導(dǎo)致性能降低廊酣。
該問(wèn)題是處理底層細(xì)節(jié)時(shí)經(jīng)常需要考慮的。
5.1.2 如何避免
如何避免“偽共享”問(wèn)題：不采用無(wú)條件寫(xiě)屏障赏枚，而是先檢查卡表標(biāo)記亡驰，僅當(dāng)該卡表元素未被標(biāo)記過(guò)時(shí)才將其標(biāo)記為變臟。
若以 SQL 的更新操作（UPDATE）進(jìn)行類比饿幅，則：
無(wú)條件寫(xiě)屏障：每次 UPDATE 不加判斷凡辱，直接更新；
開(kāi)啟判斷條件后：每次 UPDATE 前栗恩，先執(zhí)行 SELECT透乾，查詢結(jié)果滿足一定條件時(shí)再執(zhí)行 UPDATE。
若開(kāi)啟該判斷條件磕秤，能避免偽共享問(wèn)題乳乌；但同時(shí)也會(huì)增加一次額外判斷的開(kāi)銷。因此需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)權(quán)衡市咆。
JDK 7 之后汉操，HotSpot 虛擬機(jī)增加了如下參數(shù)來(lái)決定是否開(kāi)啟卡表更新的判斷條件：
# 是否開(kāi)啟卡表更新的判斷條件
-XX:+UseCondCardMark
6. 并發(fā)的可達(dá)性分析
6.1 并發(fā)標(biāo)記問(wèn)題
可達(dá)性分析算法理論上要求全過(guò)程都基于一個(gè)能保障一致性的快照中才能進(jìn)行分析，這意味著必須全程凍結(jié)用戶線程（Stop The World）蒙兰。
為什么必須在一個(gè)能保證一致性的快照上才能進(jìn)行對(duì)象圖的遍歷呢磷瘤？
如果用戶線程是凍結(jié)的芒篷，沒(méi)問(wèn)題。
若用戶線程沒(méi)凍結(jié)膀斋，也就是用戶線程與收集器并發(fā)工作呢梭伐？收集器在對(duì)象圖標(biāo)記，同時(shí)用戶線程在修改引用關(guān)系（修改對(duì)象圖的結(jié)構(gòu)）仰担，這樣可能出現(xiàn)兩種后果：
把原本消亡的對(duì)象錯(cuò)誤標(biāo)記為存活糊识，這種情況雖不好（產(chǎn)生了浮動(dòng)垃圾），但還可以容忍摔蓝。
把原本存活的對(duì)象標(biāo)記為消亡赂苗，這就很嚴(yán)重了，程序肯定會(huì)因此報(bào)錯(cuò)贮尉。
下面用三色標(biāo)記（Tri-color Marking）演示這種情況是如何產(chǎn)生的拌滋。
6.2 垃圾收集器標(biāo)記過(guò)程
垃圾收集器從 GC Roots 開(kāi)始標(biāo)記的過(guò)程示意圖如下：
上圖三色含義：
白色：對(duì)象尚未被垃圾收集器訪問(wèn)過(guò)（若在分析結(jié)束后，對(duì)象仍為白色猜谚，則表示不可達(dá)）
黑色：對(duì)象已被垃圾收集器訪問(wèn)過(guò)败砂，且該對(duì)象所有引用都已被掃描（安全存活的）
灰色：對(duì)象已被垃圾收集器訪問(wèn)過(guò)，但未掃描完所有引用（即該對(duì)象正在被掃描魏铅，可理解為中間態(tài)）
注意引用是有方向的昌犹。
但是，如果在標(biāo)記過(guò)程中览芳，用戶線程對(duì)引用關(guān)系做了修改斜姥，如下：
在上圖的（4）中：
原先對(duì)象 A 未引用 C，對(duì)象 B 引用了 C沧竟；
但標(biāo)記到 B 時(shí)铸敏，用戶線程斷開(kāi)了 B 到 C 的引用，而使 A 引用了 C悟泵；
則垃圾收集器標(biāo)記完成后杈笔，C 依然是白色（即會(huì)被回收掉）；
對(duì)象 DEFG 同理魁袜。
這樣導(dǎo)致的后果就是：正在被對(duì)象 A 和 D 引用的對(duì)象 C 和 G桩撮，在垃圾收集器標(biāo)記的過(guò)程中，由于用戶線程的運(yùn)行峰弹，導(dǎo)致本應(yīng)存活的對(duì)象被垃圾收集器標(biāo)記為消亡店量、并回收了。程序會(huì)因此報(bào)錯(cuò)鞠呈，這是個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題融师。
6.3 如何解決對(duì)象消失
如何解決上述“對(duì)象消失”的問(wèn)題呢？理論證明蚁吝，當(dāng)且僅當(dāng)以下兩個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)旱爆，才會(huì)產(chǎn)生“對(duì)象消失”的問(wèn)題：
賦值器插入了一條或多條從黑色對(duì)象到白色對(duì)象的新引用舀射；
賦值器刪除了全部從灰色對(duì)象到該白色對(duì)象的直接或間接引用。
針對(duì)這兩個(gè)條件怀伦，在上圖中脆烟，以對(duì)象 A、B房待、C 為例解釋如下：
若只增加了 A 對(duì) C 的引用邢羔，則 C 在垃圾回收后依然是存活的，不會(huì)出錯(cuò)桑孩。
若只有 B 斷開(kāi)了對(duì) A 的引用拜鹤，則 C 在垃圾回收后是消亡的，但并沒(méi)有 A 對(duì) C 的引用流椒，因此也不會(huì)出錯(cuò)敏簿。
因此，要解決并發(fā)掃描時(shí)的對(duì)象消失問(wèn)題宣虾，只需破壞其中一個(gè)即可惯裕。由此產(chǎn)生了兩種解決方案：增量更新（Increment Update）和原始快照（Snapshot At The Begining, SATB）。
6.3.1 增量更新
思路：破壞第一個(gè)條件绣硝。
做法：黑色對(duì)象（A）插入新的指向白色對(duì)象（C）的引用關(guān)系（A→C）時(shí)轻猖，就將這個(gè)新插入的引用記錄下來(lái)，待并發(fā)掃描結(jié)束之后域那，再以這些記錄過(guò)的引用關(guān)系中的黑色為根，重新掃描一次猜煮。
簡(jiǎn)化理解：黑色對(duì)象一旦新插入了指向白色對(duì)象的引用次员，它就變?yōu)榛疑ㄐ柚匦聮呙瑁┝恕?/p>
6.3.2 原始快照
思路：破壞第二個(gè)條件。
做法：當(dāng)灰色對(duì)象（B）要?jiǎng)h除指向白色對(duì)象（C）的引用關(guān)系（B→C）時(shí)王带，就將這個(gè)要?jiǎng)h除的引用記錄下來(lái)淑蔚，并發(fā)掃描結(jié)束后，再以這些記錄過(guò)的引用關(guān)系中的灰色對(duì)象為根愕撰，重新掃描一次刹衫。
簡(jiǎn)化理解：無(wú)論引用關(guān)系刪除與否，都會(huì)按照剛開(kāi)始掃描那一刻的對(duì)象圖快照來(lái)進(jìn)行搜索搞挣。
這兩種方案都有在用：在 HotSpot 虛擬機(jī)中带迟，CMS 是基于增量更新來(lái)做并發(fā)標(biāo)記的，G1囱桨、Shenandoah 則是用原始快照實(shí)現(xiàn)的仓犬。
6.3.3 舉例
以上圖為例：在并發(fā)掃描時(shí)，增加了 A→C 引用舍肠，并且刪除了 B→C 引用搀继，若不采取任何措施窘面，則掃描結(jié)束后對(duì)象 C 會(huì)消失。
兩種解決方案的做法分別如下：
增量更新：將已標(biāo)記為黑色的對(duì)象 A 置為灰色叽躯，待并發(fā)掃描結(jié)束后财边，重新掃描對(duì)象 A。此時(shí)可以掃描到 A→C 引用点骑，對(duì)象 C 不會(huì)消失酣难。
原始快照：若要?jiǎng)h除 B→C 引用，則將原始的 B→C 引用記錄下來(lái)（原始的快照）畔况，待并發(fā)掃描結(jié)束后鲸鹦，重新掃描對(duì)象 B，由于記錄的是原始信息跷跪，其中包含 B→C 引用馋嗜。這樣，即便未掃描到 A→C 引用吵瞻，對(duì)象 C 也不會(huì)消失葛菇。
此外，無(wú)論引用關(guān)系記錄的插入還是刪除橡羞，虛擬機(jī)都是通過(guò)寫(xiě)屏障實(shí)現(xiàn)的眯停。
每天都會(huì)有更新看過(guò)的朋友可以點(diǎn)波關(guān)注，Java學(xué)習(xí)路線和優(yōu)質(zhì)資源評(píng)論或點(diǎn)擊“Java”獲取卿泽。
