深入理解JVM的安全点与安全区域

在JVM中，“世界暂停”（Stop-The-World, STW）是一个很重要的机制。像垃圾回收（GC）这样的核心操作，都要求在一个数据一致的、静止的快照上进行。为了获取这个快照，JVM必须暂停所有正在运行的业务线程。

但是，这个“暂停”操作不能在任意指令上执行，否则可能导致数据处于不一致的状态。为了能够安全、高效地暂停所有线程，JVM设计了一套协作机制，其核心就是“安全点”（Safepoint）和“安全区域”（Safe Region）。

安全点：处理活跃执行的线程

安全点是代码执行流中的一些特定位置。它主要解决的是那些正在CPU上活跃执行的线程如何安全停下的问题。

当JVM需要STW时，它会设置一个全局标志。但它不会立即抢占式地中断线程，而是让这些活跃线程继续执行，直到它们运行到下一个安全点。到达这个特定位置时，线程会主动检查那个全局标志。如果发现需要暂停，它就会保存好上下文，然后主动挂起。

这些安全点的位置并不是随意设置的。JVM并不会在每条字节码后都设置，那样性能开f_da过高。它是在JIT编译时，在一些关键位置插入轮询指令，例如方法调用返回之前，或长时间循环的末尾。这样既能保证线程总会执行到安全点，也控制了性能损耗。

安全区域：协同非活动状态的线程

安全点机制依赖线程主动执行指令去轮询。但如果一个线程当前没有在CPU上执行，它就无法主动到达安全点。

例如，线程可能处于 BLOCKED 状态（等待锁），或者 WAITING 状态（执行了 Object.wait()），也可能正在执行JNI本地方法，此时执行控制权不在JVM。

“安全区域”就是为了处理这类非活动线程而设计的。安全区域是指代码中的一段连续区间，在这段代码执行期间，线程对Java堆中对象的引用关系保证不会发生任何变化。

它的协作流程是：当一个线程将要进入这种非活动状态（如发起JNI调用）之前，它会先标记自己的状态，表明将进入安全区域。

当JVM发起STW时，它会扫描所有线程。如果发现一个线程被标记为“在安全区域内”，JVM就知道该线程的引用关系是稳定的，可以不等待它，直接将其视为已暂停。

当该线程完成了操作（如JNI调用返回），准备离开安全区域时，它不能立即恢复执行。它必须先检查JVM的全局STW标志位。如果STW正在进行中，该线程必须自我阻塞，在原地等待，直到STW结束的信号传来，它才能安全地离开。

总结：两者的关系

安全点和安全区域是JVM为实现STW而设计的两个互补的协作机制，共同确保所有应用线程都能在一个一致的状态下暂停。

• 安全点主要面向正在CPU上活跃执行的线程。它通过JIT在代码中插入轮询点，让这些活跃线程主动在预设的安全位置上自我挂起。
• 安全区域则解决了处于非活动状态的线程的协同问题，例如那些被阻塞、等待或正在执行本地代码的线程。通过标记进入和检查离开的机制，安全区域确保了JVM在STW时可以不必等待它们，同时也保证了它们在恢复运行时不会破坏内存一致性。

总而言之，安全点解决了活跃线程的暂停问题，而安全区域解决了非活跃线程的协同问题。两者共同作用，才使得JVM能够安全、完整地暂停所有应用线程。