SafePoint

简介

A point in program where the state of execution is known by the VM，即代码中VM能够准确知道执行状态的位置。

safepoint可以用在不同地方，比如GC、Deoptimization，在HotspotVM中，GC safepoint比较常见，需要一个数据结构记录每个线程的调用栈、寄存器等一些重要的数据区域里什么地方包含了GC管理的指针。

从线程角度看，safepoint可以理解成是在代码执行过程中的一些特殊位置，当线程执行到这些位置的时候，说明虚拟机当前的状态是安全的，如果有需要，可以在这个位置暂停，比如发生GC时，需要暂停所有活动线程，但是该线程在这个时刻，还没有执行到一个安全点，所以该线程应该继续执行，到达下一个安全点的时候暂停，然后才开始GC，该线程等待GC结束。

安全点

根节点枚举

HotSpot虚拟机使用可达性分析算法确定对象是否可以被GC。
可达性分析算法从一系列GCRoot对象开始，向下搜索引用链，如果一个对象没有与任何GCRoot对象关联，这个对象就会被判定为可回收对象。过程称之为根节点枚举，也就是垃圾回收中的标记过程。

GCRoot包括以下对象：

虚拟机栈上的本地变量表引用的对象;
方法区中类的静态属性引用的对象;
方法区中常量引用的对象;
本地方法栈中JNI引用的对象;

SafePoint是程序中的某些位置，线程执行到这些位置时，线程中的某些状态是确定的，在safePoint可以记录OopMap信息，线程在safePoint停顿，虚拟机进行GC。一个线程可以在SafePoint上，也可以不在SafePoint上。一个线程在SafePoint时，它的状态可以安全地被其他JVM线程所操作和观测。

线程停顿方式有两种，抢先式中断和主动式中断：

抢先式中断：虚拟机需要GC时，中断所有线程，让没有到达SafePoint的线程继续执行至SafePoint并中断；
主动式中断：虚拟机不直接中断线程，而是在内存中设置标志位，线程检查到标志位被设置，运行至SafePoint时主动中断；

hotspot采用的是主动检测的方式. 而主动检测的方式中又分为两种方式:

指定点执行检测代码；
polling page访问异常触发；

hotspot会根据运行时的信息来统计, 并将高频率执行的java字节码直接翻译成本地代码, 由此提高执行效率. 因此, hotspot有两种执行方式, 一个是解释执行, 一个是编译执行。指定点检测主要是解释执行用的，对于需要高效实现的地方，则采用polling page。
polling page和普通物理页面没什么区别，需要safepoint时, 会修改该页面的权限为不可访问, 这样编译的代码在访问这个页面时, 会触发段违规异常(SEGEV). 而hotspot在启动时捕获了这个异常, 当意识到是访问polling page导致时, 则主动挂起。

SafePoint一般出现在以下位置：

循环体的结尾；
方法返回前；
调用方法的call之后；
抛出异常的位置；

线程挂起

如果触发GC动作，VM thread会在VMThread::loop()方法中调用SafepointSynchronize::begin()方法，最终使所有的线程都进入到safepoint。

void VMThread::loop() {
    if (timedout && (SafepointALot ||
                     SafepointSynchronize::is_cleanup_needed())) {
      MutexUnlockerEx mul(VMOperationQueue_lock,
                          Mutex::_no_safepoint_check_flag);
      // Force a safepoint since we have not had one for at least
      // 'GuaranteedSafepointInterval' milliseconds.  This will run all
      // the clean-up processing that needs to be done regularly at a
      // safepoint
      SafepointSynchronize::begin();
      #ifdef ASSERT
        if (GCALotAtAllSafepoints) InterfaceSupport::check_gc_alot();
      #endif
      SafepointSynchronize::end();
    }
}

###　线程有五种不同的状态对应五种挂起的措施

执行Java code

在执行字节码时会检查safepoint状态，因为在begin方法中会调用Interpreter::notice_safepoints()方法，通知解释器更新dispatch table
执行native code

如果VM thread发现一个Java thread正在执行native code，并不会等待该Java thread阻塞，不过当该Java thread从native code返回时，必须检查safepoint状态，看是否需要进行阻塞。
执行complied code

如果想进入safepoint，则设置polling page不可读，当Java thread发现该内存页不可读时，最终会被阻塞挂起。在SafepointSynchronize::begin()方法中，通过os::make_polling_page_unreadable()方法设置polling page为不可读。
线程处于Block状态

即使线程已经满足了block condition，也要等到safepoint operation完成，如GC操作，才能返回。
线程正在转换状态

会去检查safepoint状态，如果需要阻塞，就把自己挂起。

线程恢复

有了begin方法，自然有对应的end方法，在SafepointSynchronize::end()中，会最终唤醒所有挂起等待的线程，大概实现如下：

重新设置pooling page为可读;
设置解释器为ignore_safepoints;
唤醒所有挂起等待的线程;

对JVM的影像

通过设置JVM参数 -XX:+PrintGCApplicationStoppedTime，可以打出系统停止的时间，大概如下：

安全区域（SafeRegion）

安全点机制保证了程序执行的时候，在不太长的时间就会遇到可进入gc的安全点。但是如果线程处于sleep状态或者blocked状态的时候，这时线程无法响应jvm的中断请求，就需要安全区域。

安全区域是指在一段代码片段中，引用关系不会发生变化，在该区域的任何地方发生gc都是安全的。

线程进入SafeRegion会给自己加标记，告诉虚拟机可以进行GC；
线程准备离开SafeRegion前会询问虚拟机GC是否完成。

JVM-14丨SafePoint（安全点）