根节点枚举

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，但是在应用和 jvm 都不断增大的背景下，枚举整个集合耗时还是非常严重。

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 （Ordinary Object Pointer）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。

安全点

OopMap 的状态是需要随着程序的执行进行修改的（实际上是在多个位置生成了 OopMap），如果每执行一个指令就修改一次（或者每个指令都有单独的 OopMap），对程序执行的效率影响是比较大的（或者占用了过多的内存）。

只在“特定的位置”记录 了这些信息，这些位置被称为安全点（Safepoint）。有了安全点的设定，也就决定了用户程序执行时 并非在代码指令流的任意位置都能够停顿下来开始垃圾收集，而是强制要求必须执行到达安全点后才能够暂停。

安全点的位置需要根据执行时间（垃圾回收不能过于频繁也不能相隔过久）决定。在线程并发的情况下，还需要考虑如何让多个线程尽量快的都到安全点。

  • 抢先式中断：不需要线程的执行代码主动去配合，在垃圾收集发生时，系统首先把所有用户线程全部中断，如果发现有用户线程中断的地 方不在安全点上，就恢复这条线程执行，让它一会再重新中断，直到跑到安全点上
  • 主动式中断：是当垃圾收集需要中断线程的时候，不直接对线程操作，仅仅简单地设置一 个标志位，各个线程执行过程时会不停地主动去轮询这个标志，一旦发现中断标志为真时就自己在最 近的安全点上主动中断挂起。轮询标志的地方和安全点是重合的，另外还要加上所有创建对象和其他 需要在Java堆上分配内存的地方，这是为了检查是否即将要发生垃圾收集，避免没有足够内存分配新 对象。

    由于轮询操作在代码中会频繁出现，这要求它必须足够高效。HotSpot使用内存保护陷阱的方式， 把轮询操作精简至只有一条汇编指令的程度。
    当需要暂停用户线程时，虚拟机把某个内存页设置为不可读，那线程执行到指令时就会产生一个自陷异常信号，然后在预先注册的异常处理器中挂起线程实现等待，这样仅通过一条汇编指令便完成安全点轮询和触发线程中断了。

安全区域

安全点基本解决了并发情况下的根节点枚举的问题，但是需要基于线程是可运行的，当线程处于阻塞或者等待的状态时，没办法在近期到达安全点，那么就需要安全区域了。

安全区域是指能够确保在某一段代码片段之中，引用关系不会发生变化，因此，在这个区域中任 意地方开始垃圾收集都是安全的。

当用户线程执行到安全区域里面的代码时，首先会标识自己已经进入了安全区域，那样当这段时间里虚拟机要发起垃圾收集时就不必去管这些已声明自己在安全区域内的线程了。当线程要离开安全区域时，它要检查虚拟机是否已经完成了根节点枚举（或者垃圾收集过程中其他需要暂停用户线程的阶段），如果完成了，那线程就当作没事发生过，继续执行；否则它就必须一直等待，直到收到可以 离开安全区域的信号为止。

记忆集和卡表

为解决对象跨代引用所带来的问题，垃圾收集器在新生代中建立了名为记忆集（Remembered Set）的数据结构，用以避免把整个老年代加进 GC Roots 扫描范围。

记忆集是一种用于记录从非收集区域指向收集区域的指针集合的抽象数据结构。在垃圾收集的场景中，收集器只需要通过记忆集判断出某一块非收集区域是否存在有指向了收集区域的指针就可以了，并不需要了解这些跨代指针的全部细节。

记忆集有不同的精度：

  • 字长精度
  • 对象精度
  • 卡精度

字节数组CARD_TABLE的每一个元素都对应着其标识的内存区域中一块特定大小的内存块，这个 内存块被称作“卡页”（Card Page）。

写屏障

卡表元素何时变脏的答案是很明确的——有其他分代区域中对象引用了本区域对象时，其对应的 卡表元素就应该变脏，变脏时间点原则上应该发生在引用类型字段赋值的那一刻。经过即时编译后的代 码已经是纯粹的机器指令流了，这就必须找到一个在机器码层面的手段，把维护卡表的动作放到每一个赋值操作之中。

在 HotSpot 虚拟机里是通过写屏障（Write Barrier）技术维护卡表状态的。在赋值前的部分的写屏障叫作写前屏障（Pre-Write Barrier），在赋值 后的则叫作写后屏障（Post-Write Barrier），更新卡表类似于 AOP 中的一个切面。

卡表的更新面临着伪共享的问题（CPU 多个核心使用同一块内存区域，需要不断的交替进行更新，缓存失效，从主存读取），一种简单的解决方案是不采用无条件的写屏障，而是先检查卡表标记，只有当该卡表元 素未被标记过时才将其标记为变脏。

并发的可达性分析

三色标记

可从GC Roots再继续往下遍历对象 图，这一步骤的停顿时间就必定会与Java堆容量直接成正比例关系了：堆越大，存储的对象越多，对 象图结构越复杂，要标记更多对象而产生的停顿时间自然就更长。

当且仅当以下两个条件同时满足时，会产生“对象消失”的问题，即原本应该是黑色的对象被误标为白色：

  • 赋值器插入了一条或多条从黑色对象到白色对象的新引用；
  • 赋值器删除了全部从灰色对象到该白色对象的直接或间接引用；

增量更新

破坏第一个条件

黑色对象一旦新插入了指向白色对象的引用之后，它就变回灰色对象。

原始快照

破坏第二个条件

无论引用关系删除与否，都会按照刚刚开始扫描那一刻的对象图快照来进行搜索。

以上无论是对引用关系记录的插入还是删除，虚拟机的记录操作都是通过写屏障实现的。