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接着上文《JVM源码分析之堆内存的初始化》,本文对新生代的实现进行分析,在JVM内部提供了多种方式来实现新生代的内存,如DefNewGeneration
、ParNewGeneration
和ASParNewGeneration
等,由虚拟机的启动参数决定最终采用哪种方式进行实现。
DefNewGeneration
DefNewGeneration
是一个young generation
,包含了eden、from and to
内存区,当虚拟机启动参数中没有指定垃圾回收算法时,默认使用该方式实现新生代,定义如下:
1、_next_gen
指向下一个内存代;
2、_tenuring_threshold
为对象的晋升阀值,如果某个对象经历过_tenuring_threshold
次gc后依然存活,则可以晋升到老年代;
内存初始化实现
实现位于openjdk\hotspot\src\share\vm\memory\defNewGeneration.cpp
分别通过EdenSpace
和ContiguousSpace
类实现新生代的eden
和from to
区域,(其中Contiguous是”连续”的意思,表示一块连续的内存空间),其中EdenSpace
在实现上是继承自ContiguousSpace
的。
1、如果_eden_space、_from_space、_to_space
其中任何一个为空,说明新生代分配内存失败,则虚拟机退出;
2、根据SurvivorRatio
计算from to
内存区应该分配的大小;
3、剩余的空间大小分配给eden
内存区;
GC过程实现
基本思路:
1、扫描内存堆所有的根对象集T,并把它们复制到新的内存块,一般为新生代的to
内存区或老年代;
2、分析扫描这些根对象集T的所有引用对象集T1,并把它们复制到新的内存块;
3、继续分析对象集T1所引用的对象集T2,一直迭代下去,直到对象集Tn为空;
GC过程位于collect()
方法中:
GC检测
1、确保当前是一次FGC
,或需要分配的内存大小size
大于0,否则不需要执行一次gc操作;
2、因为当前是最年轻代的管理器,确保有下一个内存管理器;
3、通过collection_attempt_is_safe()
方法判断当前的GC是否安全,实现如下:
安全的GC必须满足如下条件:
1、survivor
中的to
区为空;
2、下一个内存代有足够的内存容纳新生代的所有对象;
否则,设置_incremental_collection_failed
为false
,即当前minor gc
不可用,通知内存堆管理器不要再尝试增量式GC了,因为肯定会失败;
GC开始
GC准备工作:
1、初始化IsAliveClosure
和ScanWeakRefClosure
;
2、清空age_table
数据和to
区;
3、初始化FastScanClosure,负责存活对象的标识和复制;
根对象的标识复制
我们都知道和根对象有联系的对象都是活跃对象,那么如何快速确定内存代中所有的活跃对象呢?
1、将内存代的跟对象和被其它内存代对象引用的对象复制到to
区域,这些对象作为活跃对象,虽然其它内存代的对象可能在下次Full GC成为垃圾对象,但目前的Minor GC不能将这些对象当做垃圾对象进行处理;
2、递归遍历这些活跃对象,将其所引用的在该内存代的对象复制到To区域,最终剩下的对象就是垃圾对象了。
其中gen_process_strong_roots()
负责查找当前代中的根对象和被其它内存代对象引用的对象,并复制到to
区域,实现如下:
if (!do_code_roots) { SharedHeap::process_strong_roots(activate_scope, collecting_perm_gen, so, not_older_gens, NULL, older_gens); } else { bool do_code_marking = (activate_scope || nmethod::oops_do_marking_is_active()); CodeBlobToOopClosure code_roots(not_older_gens, /*do_marking=*/ do_code_marking); SharedHeap::process_strong_roots(activate_scope, collecting_perm_gen, so, not_older_gens, &code_roots, older_gens); } if (younger_gens_as_roots) { if (!_gen_process_strong_tasks->is_task_claimed(GCH_PS_younger_gens)) { for (int i = 0; i < level; i++) { not_older_gens->set_generation(_gens[i]); _gens[i]->oop_iterate(not_older_gens); } not_older_gens->reset_generation(); } } // When collection is parallel, all threads get to cooperate to do // older-gen scanning. for (int i = level+1; i < _n_gens; i++) { older_gens->set_generation(_gens[i]); rem_set()->younger_refs_iterate(_gens[i], older_gens); older_gens->reset_generation(); } _gen_process_strong_tasks->all_tasks_completed();
假设当前内存堆上有如下对象模型(图片出自http://www.importnew.com/21063.html ),其中深色对象为根对象,箭头代表对象的引用关系。
根对象的查找过程如下:
1、调用SharedHeap::process_strong_roots()
方法遍历当前内存代中所有根对象,eden
和from
区的根对象将被复制到to
区,被复制的对象C1使用橙色表示;
2、遍历更低内存代和更高内存代对象,如果这些对象有引用当前内存代的对象,如C2和C3分别被高低内存代中L1和H2对象所引用,则把对象C2和C3复制到to
区;
存活对象的递归标记
FastEvacuateFollowersClosure.do_void()
方法实现活跃对象的递归标记,通过广度优先搜索算法遍历扫描活跃对象,算法实现如下:
当各分代的空闲分配指针不再变化时,说明所有可触及对象都递归标记完成,否则调用oop_since_save_marks_iterate()
进行遍历标记。
1、循环条件no_allocs_since_save_marks()
实现如下:
bool GenCollectedHeap::no_allocs_since_save_marks(int level) { for (int i = level; i < _n_gens; i++) { if (!_gens[i]->no_allocs_since_save_marks()) return false; } return perm_gen()->no_allocs_since_save_marks(); }
主要检查当前代、更高代以及永久代scanned指针_saved_mark_word是否与当前空闲分配指针位置相同,如DefNewGeneration
的实现如下:
bool DefNewGeneration::no_allocs_since_save_marks() { assert(eden()->saved_mark_at_top(), "Violated spec - alloc in eden"); assert(from()->saved_mark_at_top(), "Violated spec - alloc in from"); return to()->saved_mark_at_top(); } bool saved_mark_at_top() const { return saved_mark_word() == top(); }
2、循环处理oop_since_save_marks_iterate()
实现如下:
void GenCollectedHeap:: oop_since_save_marks_iterate(int level, OopClosureType* cur, OopClosureType* older) { _gens[level]->oop_since_save_marks_iterate##nv_suffix(cur); for (int i = level+1; i < n_gens(); i++) { _gens[i]->oop_since_save_marks_iterate##nv_suffix(older); } perm_gen()->oop_since_save_marks_iterate##nv_suffix(older); }
主要对当前代、更高代以及永久代的对象进行遍历处理,不过为什么要对更高代的对象进行遍历呢?主要为了防止在复制过程中,有些对象可能直接晋升到更高代内存中。
其中DefNewGeneration
中的实现如下:
void DefNewGeneration:: oop_since_save_marks_iterate##nv_suffix(OopClosureType* cl) { cl->set_generation(this); eden()->oop_since_save_marks_iterate##nv_suffix(cl); to()->oop_since_save_marks_iterate##nv_suffix(cl); from()->oop_since_save_marks_iterate##nv_suffix(cl); cl->reset_generation(); save_marks(); }
主要调用新生代各个区的同名方法进行处理,实现如下:
void ContiguousSpace:: oop_since_save_marks_iterate##nv_suffix(OopClosureType* blk) { HeapWord* t; HeapWord* p = saved_mark_word(); assert(p != NULL, "expected saved mark"); const intx interval = PrefetchScanIntervalInBytes; do { t = top(); while (p < t) { Prefetch::write(p, interval); debug_only(HeapWord* prev = p); oop m = oop(p); p += m->oop_iterate(blk); } } while (t < top()); set_saved_mark_word(p); }
因为在scanned指针到空闲分配指针之间的区域是已分配但未扫描的对象,对这块区域的对象调用遍历函数进行处理,标记所引用的对象,并保存新的scanned指针。
图解过程
1、递归标记的开始时,Scanned指针为To区域的起点,Top指针指向to
区的空闲位置,Scanned到Top之间的对象就是需要进行递归处理的对象;
2、第一轮递归标记后,根集对象中C3引用了C5,C5被移动至To区域,Scanned指针指向已处理完的对象,这时C1、C2、C3均已被遍历完毕,现在C5需要被遍历,其中绿色对象代表被移动到To区域的非根集对象;
3、第二轮递归标记后,C5引用了C7、C8,这两个对象被移动到了To区域,这时C5已被遍历完毕,现在C7、C8需要被遍历;
4、第三轮标记没有任何引用被发现,Scanned指针追上了Top指针,所有存活对象被遍历完毕;
5、假如还有一个C12为C8所引用,但是To区域没有足够的空间,那么C12就会晋升到更高的内存代(老年代)
对象的标记和复制实现
对象的标记和复制过程最终由FastScanClosure
的do_oop
方法实现,其中do_oop
方法又调用了do_oop_work
方法,do_oop_work
究竟做了什么?
使用模板函数解决不同类型的指针(实际oop和压缩过的narrowOop):
1、当该指针对象非空时,通过decode_heap_oop_not_null
方法获取对象obj
;
2、如果该对象obj
在遍历区域(_boudary是在FastScanClosure
初始化的时候,为初始化时指定代的结束地址,与当前遍历代的起始地址_gen_boundary
共同作为对象的访问边界),则通过obj->is_forwarded()
判断该对象是否已经标记过,如果对象没有被标识过,即其标记状态不为marked_value,则通过_g->copy_to_survivor_space(obj)
方法把该对象复制到to
区域;
3、根据是否使用指针压缩将新的对象地址进行压缩;
其中copy_to_survivor_space()
方法中对象的复制过程实现如下:
1、如果该对象的age
小于_tenuring_threshold
(直接晋升到老年代的阈值),则将其分配到to
区域,分配成功后,将原对象的数据内容复制到to区域新分配的对象上,并增加该对象的复制计数age和更新ageTable;
2、否则通过_next_gen->promote()
尝试将该对象晋升,如果晋升失败,则调用handle_promotion_failure()
处理失败的对象;
3、最后调用forward_to()
设置原对象的对象头为转发指针,表示该对象已被复制,并指明该对象已经被复制到什么位置;
处理晋升成功
如果GC过程中没有发生对象的晋升失败,则执行如下逻辑:
1、既然所有对象都晋升成功了,说明存活对象都转移到了to
区域或老年代,则通过clear
方法清空eden
和from
区;
2、通过swap_spaces
方法交换from
和to
区域,为下次GC作准备,swap_spaces
实现如下:
通过交换_from_space
和_to_space
的起始地址实现from
和to
区的角色互换,并重新设置eden
的_next_compaction_space
,即eden
的下一个内存区域;
3、from
和to
区互换之后,当前的to
区应该已经是块空区域了;
4、调用ageTable
的compute_tenuring_threshold
方法对晋升阀值_tenuring_threshold
重新设置,实现如下:
其中survivor_capacity
是to
区的容量,假设为1G,TargetSurvivorRatio
默认为50,计算逻辑大概如下:
其中desired_survivor_size
默认为survivor_capacity
的一半,age_table
记录了各个年龄段的对象总大小,按年龄从小到大,累加对象大小,当总大小超过survivor_capacity
时,比较当前的age
和MaxTenuringThreshold
的大小,并返回较小者,其中MaxTenuringThreshold
默认为15;
处理晋升失败
如果GC过程中存在晋升失败,则执行如下逻辑:
1、当对象被标记为活跃对象时,其对象头markword
指向经过复制后对象的新地址,remove_forwarding_pointers
负责恢复晋升失败对象的markOop
,实现如下:
当对象晋升失败时,对象的oop
会被保存在_objs_with_preserved_marks
栈中,对应的对象头markOop
被保存在_preserved_marks_of_objs
栈中,通过这两个栈,可以对晋升失败的对象的对象头进行恢复;
2、对from
和to
区进行互换,并设置from
的下一片需要进行压缩的区域为to
区,因为当有对象晋升失败时,并不会清空eden
和from
区,这时对from
和to
区互换,但to
区还有活跃对象,这样在随后触发的FGC
能够对from
和to
进行压缩处理;
3、设置新生代的minor gc
失败标识,并通知下一个内存代(老年代)发生晋升失败,比如在ConcurrentMarkSweepGeneration
会根据参数CMSDumpAtPromotionFailure
进行dump输出以供JVM问题诊断,实现如下:
结尾
1、设置from
和to
区域的并发遍历指针时的安全值为碰撞指针所在位置;
2、更新堆的最后一次gc的时间;