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问题

在需要进行标记、压缩、清理时，JVM 是如何停止 Java 线程以进行STW的？

基础知识

假设您拥有像 JVM 这样的托管运行时，并且您需要偶尔停止 Java 线程以运行一些运行时代码。例如，您想要执行STW的 GC。您可以等待所有线程最终调用 JVM，例如，请求分配（通常是TLAB重新填充），或输入一些本地方法（转换为本地会捕获它），或执行其他操作。但这并不能保证会发生！如果线程当前正在某种忙循环中运行，从未执行任何特殊操作怎么办？

在大多数机器上，停止正在运行的线程其实很简单：您可以向它发送信号、强制处理器中断等，使其停止线程正在执行的操作并将控制权转移到其他地方。但是，Java 线程在任意点停止通常是不够的，特别是当您想要精确的垃圾收集时。在那里，您想知道寄存器和堆栈中有什么，以防这些值实际上是您需要处理的对象引用。或者，如果您想取消锁定，您需要获得有关线程状态和获取的锁定的精确信息。或者，如果您对方法进行反优化，您确实希望从安全位置执行此操作，而不会丢失已执行的代码部分和/或临时值。

因此，现代 JVM（如 Hotspot）实现了协作方案：线程在其生命周期的某些已知点（当其状态已知时）不时询问是否应将控制权移交给 VM。当所有线程都停止在这些已知点时，VM 即达到安全点。因此，检查安全点请求的代码片段称为安全点轮询。

实现需要满足有趣的权衡：安全点轮询几乎从不触发，因此当未触发时它们应该非常高效。

实验

源码

import org.openjdk.jmh.annotations.*;import java.util.concurrent.TimeUnit;@Warmup(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Fork(3)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@State(Scope.Benchmark)
public class EmptyBench {@Benchmarkpublic void emptyMethod() {// This method is intentionally left blank.}
}

您可能认为此基准测试测量的是空方法，但实际上它测量的是为基准测试服务的最小基础结构代码：计算迭代次数并等待迭代时间结束。幸运的是，这段代码相当快，因此可以借助-prof perfasm对其进行完整分析。执行结果如下：

3.60%  ↗  ...a2: movzbl 0x94(%r8),%r10d       ; load "isDone" field
0.63%  │  ...aa: add    $0x1,%rbp             ; iterations++;
32.82% │  ...ae: test   %eax,0x1765654c(%rip) ; global safepoint poll
58.14% │  ...b4: test   %r10d,%r10d           ; if !isDone, do the cycle again╰  ...b7: je     ...a2

上述结果说明，空方法被内联，其中的所有内容都消失了，只有基础设施保留了下来。

看到那个“全局安全点轮询”了吗？当需要安全点时，JVM 会启用“轮询页面”，因此任何读取该页面的尝试都会触发分段错误 (SEGV) 。当 SEGV 最终从这个安全点轮询触发时，控制权将首先传递给任何现有的 SEGV 处理程序，而 JVM 已经准备好了一个！例如，查看JVM_handle_linux_signal是如何做到这一点的。

所有这些技巧的目的是使安全点轮询尽可能便宜，因为它们需要在很多地方发生，而且它们几乎总是不会触发。因此，使用test %eax, (addr) ：当未触发安全点轮询时，它没有效果。它还具有非常紧凑的编码，在 x86_64 上“仅” 6 个字节。轮询页面地址对于给定的 JVM 进程是固定的，因此该进程中 JIT 生成的代码可以使用RIP 相对寻址：它表示页面位于当前指令指针的给定偏移量处，从而无需花费宝贵的字节来编码绝对的 8 字节地址。

通常，还会有一个轮询页面一次处理所有线程，因此生成的代码不必区分当前正在运行的线程。但是，如果 VM 想要停止单个线程怎么办？ JEP-312：“线程本地握手”回答了这个问题。它为 VM 提供了触发单个线程握手轮询的功能，目前实现方法是为每个线程分配单独的轮询页面，然后轮询指令从线程本地存储中读取该页面地址。

这纯粹是运行时的考虑，因此可以使用-XX:-ThreadLocalHandshakes禁用它，然后生成的代码将与 8u191 中的代码相同。这解释了为什么这个基准测试在 8 和 11 上的表现不同（让我们立即在-prof perfnorm下运行它）：

Benchmark                              Mode  Cnt  Score   Error  Units# 8u191
EmptyBench.test                        avgt   15   0.383 ±  0.007  ns/op
EmptyBench.test:CPI                    avgt    3   0.203 ±  0.014   #/op
EmptyBench.test:L1-dcache-load-misses  avgt    3  ≈ 10⁻⁴            #/op
EmptyBench.test:L1-dcache-loads        avgt    3   2.009 ±  0.291   #/op
EmptyBench.test:cycles                 avgt    3   1.021 ±  0.193   #/op
EmptyBench.test:instructions           avgt    3   5.024 ±  0.229   #/op# 11.0.1
EmptyBench.test                        avgt   15   0.590 ±  0.023  ns/op ; +0.2 ns
EmptyBench.test:CPI                    avgt    3   0.260 ±  0.173   #/op
EmptyBench.test:L1-dcache-loads        avgt    3   3.015 ±  0.120   #/op ; +1 load
EmptyBench.test:L1-dcache-load-misses  avgt    3  ≈ 10⁻⁴            #/op
EmptyBench.test:cycles                 avgt    3   1.570 ±  0.248   #/op ; +0.5 cycles
EmptyBench.test:instructions           avgt    3   6.032 ±  0.197   #/op ; +1 instruction# 11.0.1, -XX:-ThreadLocalHandshakes
EmptyBench.test                        avgt   15   0.385 ±  0.007  ns/op
EmptyBench.test:CPI                    avgt    3   0.205 ±  0.027   #/op
EmptyBench.test:L1-dcache-loads        avgt    3   2.012 ±  0.122   #/op
EmptyBench.test:L1-dcache-load-misses  avgt    3  ≈ 10⁻⁴            #/op
EmptyBench.test:cycles                 avgt    3   1.030 ±  0.079   #/op
EmptyBench.test:instructions           avgt    3   5.031 ±  0.299   #/op

因此，线程本地握手会增加另一个 L1 命中负载，这大约需要半个周期。这也为我们估算安全点轮询本身的成本提供了一些依据：它本身就是 L1 命中负载，可能需要另外半个周期。

总结

安全点和握手轮询是托管运行时实现中一些有趣的细节。它们经常出现在生成的代码中的热路径上，有时会影响性能，尤其是在紧密循环中。然而，它们的存在对于运行时实现精确垃圾回收、锁定优化、去优化等重要功能是必要的。