簡書 占小狼
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接著上文《JVM源碼分析之堆內(nèi)存的初始化》，本文對新生代的實現(xiàn)進行分析，在JVM內(nèi)部提供了多種方式來實現(xiàn)新生代的內(nèi)存，如DefNewGeneration、ParNewGeneration和ASParNewGeneration等，由虛擬機的啟動參數(shù)決定最終采用哪種方式進行實現(xiàn)。
DefNewGeneration
DefNewGeneration是一個young generation，包含了eden、from and to內(nèi)存區(qū)，當虛擬機啟動參數(shù)中沒有指定垃圾回收算法時，默認使用該方式實現(xiàn)新生代，定義如下：
1、_next_gen指向下一個內(nèi)存代；
2、_tenuring_threshold為對象的晉升閥值，如果某個對象經(jīng)歷過_tenuring_threshold次gc后依然存活，則可以晉升到老年代；
內(nèi)存初始化實現(xiàn)
實現(xiàn)位于openjdk\hotspot\src\share\vm\memory\defNewGeneration.cpp
分別通過EdenSpace和ContiguousSpace類實現(xiàn)新生代的eden和from to區(qū)域，(其中Contiguous是"連續(xù)"的意思，表示一塊連續(xù)的內(nèi)存空間)，其中EdenSpace在實現(xiàn)上是繼承自ContiguousSpace的。
1、如果_eden_space、_from_space、_to_space其中任何一個為空，說明新生代分配內(nèi)存失敗，則虛擬機退出；
2、根據(jù)SurvivorRatio計算from to內(nèi)存區(qū)應該分配的大小；
3、剩余的空間大小分配給eden內(nèi)存區(qū)；
GC過程實現(xiàn)
基本思路：
1、掃描內(nèi)存堆所有的根對象集T，并把它們復制到新的內(nèi)存塊，一般為新生代的to內(nèi)存區(qū)或老年代；
2、分析掃描這些根對象集T的所有引用對象集T1，并把它們復制到新的內(nèi)存塊；
3、繼續(xù)分析對象集T1所引用的對象集T2，一直迭代下去，直到對象集Tn為空；
GC過程位于collect()方法中：
GC檢測
1、確保當前是一次FGC，或需要分配的內(nèi)存大小size大于0，否則不需要執(zhí)行一次gc操作；
2、因為當前是最年輕代的管理器，確保有下一個內(nèi)存管理器；
3、通過collection_attempt_is_safe()方法判斷當前的GC是否安全，實現(xiàn)如下：
安全的GC必須滿足如下條件：
1、survivor中的to區(qū)為空；
2、下一個內(nèi)存代有足夠的內(nèi)存容納新生代的所有對象；
否則，設(shè)置_incremental_collection_failed為false，即當前minor gc不可用，通知內(nèi)存堆管理器不要再嘗試增量式GC了，因為肯定會失敗；
GC開始
GC準備工作：
1、初始化IsAliveClosure和ScanWeakRefClosure；
2、清空age_table數(shù)據(jù)和to區(qū)；
3、初始化FastScanClosure，負責存活對象的標識和復制；
根對象的標識復制
我們都知道和根對象有聯(lián)系的對象都是活躍對象，那么如何快速確定內(nèi)存代中所有的活躍對象呢？
1、將內(nèi)存代的跟對象和被其它內(nèi)存代對象引用的對象復制到to區(qū)域，這些對象作為活躍對象，雖然其它內(nèi)存代的對象可能在下次Full GC成為垃圾對象，但目前的Minor GC不能將這些對象當做垃圾對象進行處理；
2、遞歸遍歷這些活躍對象，將其所引用的在該內(nèi)存代的對象復制到To區(qū)域，最終剩下的對象就是垃圾對象了。
其中gen_process_strong_roots()負責查找當前代中的根對象和被其它內(nèi)存代對象引用的對象，并復制到to區(qū)域，實現(xiàn)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();
假設(shè)當前內(nèi)存堆上有如下對象模型(圖片出自http://www.importnew.com/21063.html )，其中深色對象為根對象，箭頭代表對象的引用關(guān)系。
根對象的查找過程如下：
1、調(diào)用SharedHeap::process_strong_roots()方法遍歷當前內(nèi)存代中所有根對象，eden和from區(qū)的根對象將被復制到to區(qū)，被復制的對象C1使用橙色表示；
2、遍歷更低內(nèi)存代和更高內(nèi)存代對象，如果這些對象有引用當前內(nèi)存代的對象，如C2和C3分別被高低內(nèi)存代中L1和H2對象所引用，則把對象C2和C3復制到to區(qū)；
存活對象的遞歸標記
FastEvacuateFollowersClosure.do_void()方法實現(xiàn)活躍對象的遞歸標記，通過廣度優(yōu)先搜索算法遍歷掃描活躍對象，算法實現(xiàn)如下：
當各分代的空閑分配指針不再變化時，說明所有可觸及對象都遞歸標記完成，否則調(diào)用oop_since_save_marks_iterate()進行遍歷標記。
1、循環(huán)條件no_allocs_since_save_marks()實現(xiàn)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();
}
主要檢查當前代、更高代以及永久代scanned指針_saved_mark_word是否與當前空閑分配指針位置相同，如DefNewGeneration的實現(xiàn)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、循環(huán)處理oop_since_save_marks_iterate()實現(xiàn)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);
}
主要對當前代、更高代以及永久代的對象進行遍歷處理，不過為什么要對更高代的對象進行遍歷呢？主要為了防止在復制過程中，有些對象可能直接晉升到更高代內(nèi)存中。
其中DefNewGeneration中的實現(xiàn)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();
}
主要調(diào)用新生代各個區(qū)的同名方法進行處理，實現(xiàn)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);
}
因為在scanned指針到空閑分配指針之間的區(qū)域是已分配但未掃描的對象，對這塊區(qū)域的對象調(diào)用遍歷函數(shù)進行處理，標記所引用的對象，并保存新的scanned指針。
圖解過程
1、遞歸標記的開始時，Scanned指針為To區(qū)域的起點，Top指針指向to區(qū)的空閑位置，Scanned到Top之間的對象就是需要進行遞歸處理的對象；
2、第一輪遞歸標記后，根集對象中C3引用了C5，C5被移動至To區(qū)域，Scanned指針指向已處理完的對象，這時C1、C2、C3均已被遍歷完畢，現(xiàn)在C5需要被遍歷，其中綠色對象代表被移動到To區(qū)域的非根集對象；
3、第二輪遞歸標記后，C5引用了C7、C8，這兩個對象被移動到了To區(qū)域，這時C5已被遍歷完畢，現(xiàn)在C7、C8需要被遍歷；
4、第三輪標記沒有任何引用被發(fā)現(xiàn)，Scanned指針追上了Top指針，所有存活對象被遍歷完畢；
5、假如還有一個C12為C8所引用，但是To區(qū)域沒有足夠的空間，那么C12就會晉升到更高的內(nèi)存代(老年代)
對象的標記和復制實現(xiàn)
對象的標記和復制過程最終由FastScanClosure的do_oop方法實現(xiàn)，其中do_oop方法又調(diào)用了do_oop_work方法，do_oop_work究竟做了什么？
使用模板函數(shù)解決不同類型的指針(實際oop和壓縮過的narrowOop)：
1、當該指針對象非空時，通過decode_heap_oop_not_null方法獲取對象obj;
2、如果該對象obj在遍歷區(qū)域（_boudary是在FastScanClosure初始化的時候，為初始化時指定代的結(jié)束地址，與當前遍歷代的起始地址_gen_boundary共同作為對象的訪問邊界），則通過obj->is_forwarded()判斷該對象是否已經(jīng)標記過，如果對象沒有被標識過，即其標記狀態(tài)不為marked_value，則通過_g->copy_to_survivor_space(obj)方法把該對象復制到to區(qū)域；
3、根據(jù)是否使用指針壓縮將新的對象地址進行壓縮；
其中copy_to_survivor_space()方法中對象的復制過程實現(xiàn)如下：
1、如果該對象的age小于_tenuring_threshold（直接晉升到老年代的閾值），則將其分配到to區(qū)域，分配成功后，將原對象的數(shù)據(jù)內(nèi)容復制到to區(qū)域新分配的對象上，并增加該對象的復制計數(shù)age和更新ageTable；
2、否則通過_next_gen->promote()嘗試將該對象晉升，如果晉升失敗，則調(diào)用handle_promotion_failure()處理失敗的對象；
3、最后調(diào)用forward_to()設(shè)置原對象的對象頭為轉(zhuǎn)發(fā)指針，表示該對象已被復制，并指明該對象已經(jīng)被復制到什么位置；
處理晉升成功
如果GC過程中沒有發(fā)生對象的晉升失敗，則執(zhí)行如下邏輯：
1、既然所有對象都晉升成功了，說明存活對象都轉(zhuǎn)移到了to區(qū)域或老年代，則通過clear方法清空eden和from區(qū)；
2、通過swap_spaces方法交換from和to區(qū)域，為下次GC作準備，swap_spaces實現(xiàn)如下：
通過交換_from_space和_to_space的起始地址實現(xiàn)from和to區(qū)的角色互換，并重新設(shè)置eden的_next_compaction_space，即eden的下一個內(nèi)存區(qū)域；
3、from和to區(qū)互換之后，當前的to區(qū)應該已經(jīng)是塊空區(qū)域了；
4、調(diào)用ageTable的compute_tenuring_threshold方法對晉升閥值_tenuring_threshold重新設(shè)置，實現(xiàn)如下：
其中survivor_capacity是to區(qū)的容量，假設(shè)為1G，TargetSurvivorRatio默認為50，計算邏輯大概如下：
其中desired_survivor_size默認為survivor_capacity的一半，age_table記錄了各個年齡段的對象總大小，按年齡從小到大，累加對象大小，當總大小超過survivor_capacity時，比較當前的age和MaxTenuringThreshold的大小，并返回較小者，其中MaxTenuringThreshold默認為15；
處理晉升失敗
如果GC過程中存在晉升失敗，則執(zhí)行如下邏輯：
1、當對象被標記為活躍對象時，其對象頭markword指向經(jīng)過復制后對象的新地址，remove_forwarding_pointers負責恢復晉升失敗對象的markOop，實現(xiàn)如下：
當對象晉升失敗時，對象的oop會被保存在_objs_with_preserved_marks棧中，對應的對象頭markOop被保存在_preserved_marks_of_objs棧中，通過這兩個棧，可以對晉升失敗的對象的對象頭進行恢復；
2、對from和to區(qū)進行互換，并設(shè)置from的下一片需要進行壓縮的區(qū)域為to區(qū)，因為當有對象晉升失敗時，并不會清空eden和from區(qū)，這時對from和to區(qū)互換，但to區(qū)還有活躍對象，這樣在隨后觸發(fā)的FGC能夠?qū)?code>from和to進行壓縮處理；
3、設(shè)置新生代的minor gc失敗標識，并通知下一個內(nèi)存代（老年代）發(fā)生晉升失敗，比如在ConcurrentMarkSweepGeneration會根據(jù)參數(shù)CMSDumpAtPromotionFailure進行dump輸出以供JVM問題診斷，實現(xiàn)如下：
結(jié)尾
1、設(shè)置from和to區(qū)域的并發(fā)遍歷指針時的安全值為碰撞指針所在位置；
2、更新堆的最后一次gc的時間；
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