[Inside HotSpot] Java分代堆

1. 宇宙初始化

JVM在启动的时候会初始化各种结构,比如模板解释器,类加载器,当然也包括这篇文章的主题,Java堆。在hotspot源码结构中gc/shared表示所有GC共同拥有的信息,gc/g1,gc/cms则是不同实现需要用到的特设信息。

λ tree
├─gc
│ ├─cms
│ ├─epsilon
│ ├─g1
│ ├─parallel
│ ├─serial
│ ├─shared
│ └─z

比如所有的Java堆都继承自CollectedHeap,这个结构就位于gc/shared,然后Serial GC需要的特设信息位于gc/serial,关于这点我们后面马上会提到。另外Java堆的类型很多,本文所述Java堆均为分代堆(Generational Heap),它广泛用于Serial GC,CMS GC:

关于什么是分代堆应该不用多说,新生代老年代堆模型都是融入每个Javer灵魂的东西。

在讨论分代堆之前,我们先从头说起。Java堆初始化会经过一个调用链:

JNI_CreateJavaVM(prims/jni.cpp)
->JNI_CreateJavaVM_inner
->Threads::create_vm(runtime/thread.cpp)
->init_globals(runtime/init.cpp)
->universe_init(memory/universe.cpp)
->Universe::initialize_heap()

Universe模块(宇宙模块?hh)会负责高层次的Java堆的创建与初始化:

jint Universe::initialize_heap() {
// 创建Java堆
_collectedHeap = create_heap();
// 初始化Java堆
jint status = _collectedHeap->initialize();
if (status != JNI_OK) {
return status;
}
// 使用的GC,如[38.500s][info][gc] Using G1
log_info(gc)("Using %s", _collectedHeap->name()); ThreadLocalAllocBuffer::set_max_size(Universe::heap()->max_tlab_size()); if (UseCompressedOops) {
if ((uint64_t)Universe::heap()->reserved_region().end() > UnscaledOopHeapMax) {
Universe::set_narrow_oop_shift(LogMinObjAlignmentInBytes);
}
if ((uint64_t)Universe::heap()->reserved_region().end() <= OopEncodingHeapMax) {
Universe::set_narrow_oop_base(0);
}
AOTLoader::set_narrow_oop_shift(); Universe::set_narrow_ptrs_base(Universe::narrow_oop_base()); LogTarget(Info, gc, heap, coops) lt;
if (lt.is_enabled()) {
ResourceMark rm;
LogStream ls(lt);
Universe::print_compressed_oops_mode(&ls);
}
Arguments::PropertyList_add(new SystemProperty("java.vm.compressedOopsMode",
narrow_oop_mode_to_string(narrow_oop_mode()),
false));
} // TLAB初始化
if (UseTLAB) {
assert(Universe::heap()->supports_tlab_allocation(),
"Should support thread-local allocation buffers");
ThreadLocalAllocBuffer::startup_initialization();
}
return JNI_OK;
}

2. 创建Java堆

在JVM初始化宇宙模块时会调用create_heap()创建堆,这个函数会进一步调用位于memory/allocation模块的AllocateHeap,但是这些APIs实际还没有做分配动作,它们只是包装底层分配,处理一下分配失败,真正的内存分配是位于底层runtime/os模块:

说到runtime/os是底层内存分配,那它到底有多底层?打开源码看看,并没有像OS这个名字一样使用操作系统的VirtualAlloc,sbrk,而是使用C/C++语言运行时的malloc()/free()进行分配/释放的。

3. 初始化Java堆

在第一步中create_heap()创建了堆这个数据结构,但是里面的成员都是无效的,而第二步就是负责初始化这些成员。初始化分为initialize()和post_initialize()。

// hotspot\share\gc\shared\genCollectedHeap.cpp
jint GenCollectedHeap::initialize() {
char* heap_address;
ReservedSpace heap_rs;
// 获取堆对齐
size_t heap_alignment = collector_policy()->heap_alignment();
// 给堆分配空间
heap_address = allocate(heap_alignment, &heap_rs);
// 如果分配失败则关闭虚拟机
if (!heap_rs.is_reserved()) {
vm_shutdown_during_initialization(
"Could not reserve enough space for object heap");
return JNI_ENOMEM;
}
// 根据刚刚获得的堆空间来初始化
// CollectedHeap中的_reserved字段
initialize_reserved_region((HeapWord*)heap_rs.base(), (HeapWord*)(heap_rs.base() + heap_rs.size())); // 创建并初始化remembered set
_rem_set = create_rem_set(reserved_region());
_rem_set->initialize();
CardTableBarrierSet *bs = new CardTableBarrierSet(_rem_set);
bs->initialize();
BarrierSet::set_barrier_set(bs); // 根据刚刚获得的堆来初始化GenCollectedHeap的新生代
ReservedSpace young_rs = heap_rs.first_part(_young_gen_spec->max_size(), false, false);
_young_gen = _young_gen_spec->init(young_rs, rem_set());
heap_rs = heap_rs.last_part(_young_gen_spec->max_size());
// 根据刚刚获得的堆来初始化GenCollectedHeap的老年代
ReservedSpace old_rs = heap_rs.first_part(_old_gen_spec->max_size(), false, false);
_old_gen = _old_gen_spec->init(old_rs, rem_set());
clear_incremental_collection_failed(); return JNI_OK;
}

initialize()初始化新生代老年代,完成基础的分代;然后post_initialize()将新生代细分为Eden和Survivor,然后再初始化标记清楚算法用到的一些数据结构。至此JVM的分代堆就可以为垃圾回收器所用了。

4. JVM分代堆详细结构

4.1 CollectedHeap

前面我们提到JVM是如何建立一个堆的,这一节将详细分析这个堆长什么样子。JVM有很多垃圾回收器,每个垃圾回收器处理的堆结构都是不一样的,比如G1GC处理的堆是由Region组成,CMS处理由老年代新生代组成的分代堆。这些不同的堆类型都继承自gc/share/CollectedHeap,抽象基类CollectedHeap表示所有堆都拥有的一些属性:

// hotspot\share\gc\shared\collectedHeap.hpp
class CollectedHeap : public CHeapObj<mtInternal> {
private:
GCHeapLog* _gc_heap_log; // GC日志
MemRegion _reserved; // 堆内存表示
protected:
bool _is_gc_active; // 是否正在GC unsigned int _total_collections; // Minor GC次数
unsigned int _total_full_collections; // Full GC次数 GCCause::Cause _gc_cause; // 当前引发GC的原因
GCCause::Cause _gc_lastcause; // 上次引发GC的原因
...
};

上面的_reserved就表示Java堆这片连续的地址,它包含堆的起始地址和大小,即[start,start+size]。然而这样的堆是不能满足GC需求的,Full GC处理老年代,Minor GC处理新生代,可是这两个“代”都没有在CollectedHeap中体现。翻翻上图继承模型,GenCollectedHeap才是分代堆。

4.2 GenCollectedHeap

//hotspot\share\gc\shared\genCollectedHeap.hpp
class GenCollectedHeap : public CollectedHeap {
public:
enum GenerationType {
YoungGen,
OldGen
}; protected:
Generation* _young_gen; // 新生代
Generation* _old_gen; // 老年代
...
};

看到GenCollectedHeap里面的_young_gen_old_gen基本就稳了。它继承自CollectedHeap,其中CollectedHeap里面的_reserved表示整个堆,GenCollectedHeap的新生代和老年代进一步划分_reserved。这个划分工作发生在堆初始化中。不同GC使用的新生代老年代也是不同的,所以不能一概而论,hotspot为此建立了如下分代模型:

  • 分代基类:公有结构,保存上次GC耗时,该代的内存起始地址,GC性能计数
  • 默认新生代:一种包含Eden,From survivor, To survivor的分代
  • 并行新生代:可并行GC的默认新生代
  • 卡表代:包含卡表(CardTable)的分代
  • 久任代:可Mark-Compact的卡表代
  • 并行标记清楚代:可并行Mark-Sweep的卡表代

每个代都自己的特色,不同GC根据不同需要可以"自由"组合,比如Serial GC就使用的是DefNewGeneration + TenuredGeneration的组合,CMS使用ParNewGeneration + ConcurrentMarkSweepGeneration的组合。

4.3 SerialHeap

最后一步,Serial GC专用的堆继承自GenCollectedHeap并在其上稍作封装。这个SerialHeap最终将用于串行垃圾回收器(-XX:+UseSerialGC)。

// hotspot\share\gc\serial\serialHeap.hpp
class SerialHeap : public GenCollectedHeap {
static SerialHeap* heap();
virtual Name kind() const {
return CollectedHeap::Serial;
}
virtual const char* name() const {
return "Serial";
}
...
};

5. 分代堆中的卡表代

关于GenCollectedHeap的各种代还有很多内容,我们关注DefNewGeneration + TenuredGeneration的组合,它被用于SerialGC。

久任代继承自卡表代,所谓卡表代是指用卡(Card)划分整个老年代。我们知道,标记清除需要遍历整个老年代来找出指向新生代的指针,至于为什么要做这个遍历看两副图即可明白。假设有堆中已经存在这样的引用关系:

现在加入分配了新的对象:

其中老年代的对象存在指向新生代的指针,但是GC Root并没有,如果这时候只从GC Root出发标记对象,就会错过红线指向的对象,继而导致被误做垃圾而清除,所以必须遍历老年代找到指向新生代的对象。但是问题是老年代一般都很大,这样的遍历是比较慢的。卡表应此而生,它将老年代划分为512字节的卡(Card),这些卡组成卡表(Card table),卡表具体来说是一个字节数组。如果卡表中某一个字节不为dirty,则表示对应的512字节的区域不存在指向新生代的引用,那么就可以直接跳过该区域,减少了遍历时间:

在上图中只有卡1和卡5存在指向新生代的指针,对整个老年代的遍历就缩小到只对卡1、卡5的遍历了。

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