GC垃圾收集时，居然还有用户线程在奔跑

之前面试被问到过“当GC垃圾收集时，是所有的用户线程都停止了吗？”，这一篇我们来探究一下这个问题。

其实执行本地代码的线程仍然可以运行，那么这些线程一旦改变了对象中的引用关系或创建了新的对象，这会不会造成GC错误，引发问题呢？

首先举一个例子，证明在GC期间，执行native函数的线程仍然在运行，实例如下：

#include "include/cn_hotspotvm_TestJNI.h"

#include <jvmti.h>
#include <stdio.h>
#include "pthread.h"

// 垃圾收集开始时回调
static void JNICALL GarbageCollectionStart(jvmtiEnv *jvmti) {}
// 垃圾收集结束时回调
static void JNICALL GarbageCollectionFinish(jvmtiEnv *jvmti) {}

JNIEXPORT jint JNICALL
Agent_OnLoad(JavaVM *vm, char *options, void *reserved) {
    jvmtiEnv *jvmti = NULL;
    jvmtiCapabilities capabilities = {0};
    jvmtiEventCallbacks callbacks = {0};
    jint result;

    // 1.获取JVMTI环境
    if (vm->GetEnv((void **) &jvmti, JVMTI_VERSION_1_2) != JNI_OK) {
        fprintf(stderr, "Failed to get JVMTI environment\n");
        return JNI_ERR;
    }

    // 2.设置事件回调
    callbacks.GarbageCollectionStart = &GarbageCollectionStart;
    callbacks.GarbageCollectionFinish = &GarbageCollectionFinish;
    if ((result = jvmti->SetEventCallbacks(&callbacks, sizeof(callbacks))) != JVMTI_ERROR_NONE) {
        fprintf(stderr, "SetEventCallbacks failed: %d\n", result);
        return JNI_ERR;
    }

    // 3.启用GC事件通知能力
    capabilities.can_generate_garbage_collection_events = 1;
    if ((result = jvmti->AddCapabilities(&capabilities)) != JVMTI_ERROR_NONE) {
        fprintf(stderr, "AddCapabilities failed: %d\n", result);
        return JNI_ERR;
    }

    // 4.注册事件监听
    if ((result = jvmti->SetEventNotificationMode(JVMTI_ENABLE,
          JVMTI_EVENT_GARBAGE_COLLECTION_START, NULL)) != JVMTI_ERROR_NONE) {
        fprintf(stderr, "Enable GC start failed: %d\n", result);
        return JNI_ERR;
    }
    if ((result = jvmti->SetEventNotificationMode(JVMTI_ENABLE,
           JVMTI_EVENT_GARBAGE_COLLECTION_FINISH, NULL)) != JVMTI_ERROR_NONE) {
        fprintf(stderr, "Enable GC finish failed: %d\n", result);
        return JNI_ERR;
    }

    return JNI_OK;
}

简单编写了一个JVMTIAgent，这个Agent在Java虚拟机启动时通过-agentpath来挂载，在这个Agent中可以写一个native方法的C/C++实现，当垃圾收集开始时执行用户线程的运算，当垃圾收集结束时停止运算并返回，这样就能很好的证明有线程在GC垃圾收集器期间发生GC了。

我们看一下，HotSpot是在什么时候进行回调呢？这主要是使用JvmtiGCMarker类来完成的，在类的构造函数中回调GC开始函数，在析构函数中调用GC结束函数。

JvmtiGCMarker::JvmtiGCMarker() {
  if (JvmtiExport::should_post_garbage_collection_start()) {
    JvmtiExport::post_garbage_collection_start();
  }
}

JvmtiGCMarker::~JvmtiGCMarker() {
  if (JvmtiExport::should_post_garbage_collection_finish()) {
    JvmtiExport::post_garbage_collection_finish();
  }
}

void JvmtiExport::post_garbage_collection_start() {
  Thread* thread = Thread::current(); // this event is posted from vm-thread.
  JvmtiEnvIterator it;
  for (JvmtiEnv* env = it.first(); env != NULL; env = it.next(env)) {
    if (env->is_enabled(JVMTI_EVENT_GARBAGE_COLLECTION_START)) {
      JvmtiThreadEventTransition jet(thread);
      jvmtiEventGarbageCollectionStart callback = env->callbacks()->GarbageCollectionStart;
      if (callback != NULL) {
        (*callback)(env->jvmti_external());
      }
    }
  }
}

void JvmtiExport::post_garbage_collection_finish() {
  Thread *thread = Thread::current();
  JvmtiEnvIterator it;
  for (JvmtiEnv* env = it.first(); env != NULL; env = it.next(env)) {
    if (env->is_enabled(JVMTI_EVENT_GARBAGE_COLLECTION_FINISH)) {
      JvmtiThreadEventTransition jet(thread);
      jvmtiEventGarbageCollectionFinish callback = env->callbacks()->GarbageCollectionFinish;
      if (callback != NULL) {
        (*callback)(env->jvmti_external());
      }
    }
  }
}

现在来看一下这个JvmtiGCMarker是如何使用的呢？

VMThread::loop()
  VMThread::evaluate_operation()
    VM_Operation::evaluate()
      VM_ParallelGCFailedAllocation::doit()
        ParallelScavengeHeap::failed_mem_allocate()
          PSScavenge::invoke()
             PSScavenge::invoke_no_policy()
             PSParallelCompact::invoke_no_policy()

在VMThread获取到垃圾收集任务时，YGC会执行PSScavenge::invoke_no_policy()，FGC会执行PSParallelCompact::invoke_no_policy()，无论YGC还是FGC都会由VM_ParallelGCFailedAllocation::doit() 函数调用，在这个函数中有如下代码：

// 当执行这个函数时，线程已经进入了安全点
void VM_ParallelGCFailedAllocation::doit() {
  // 在VMThread线程进入函数时，调用SvgGCMarker的构造函数，当函数返回前，调用析构函数
  SvcGCMarker sgcm(SvcGCMarker::MINOR);

  ParallelScavengeHeap* heap = (ParallelScavengeHeap*)Universe::heap();

  GCCauseSetter gccs(heap, _gc_cause);
  _result = heap->failed_mem_allocate(_size);
  // ...
}

这里要注意，VMThread完成GC开始函数和结束函数的回调，并且是在安全点内回调的，按理来说，此时的业务线程已经不再运行了。　

下面我们继续完成实例，如下：

package cn.hotspotvm;

public class TestJNI {
    public native int inc(int value);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        new Thread(() -> {
            try {
                // 等待下面的inc()函数调用
                Thread.sleep(2000L);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            // 在inc()函数调用后触发FGC
            System.gc();
        }).start();

        // 传入0，在native函数中会加数值后返回
        int r = new TestJNI().inc(0);
        System.out.println(r);
    }
}

native函数的实现如下：

WaitableMutex mutex; // 互斥锁
static bool volatile isEnd = false;

JNIEXPORT jint JNICALL Java_cn_hotspotvm_TestJNI_inc
        (JNIEnv *env, jobject obj, jint value) {
    mutex.lock();
    mutex.wait();
    while(!isEnd){
        value++;
    }
    mutex.unlock();
    return value;
}

static void JNICALL GarbageCollectionStart(jvmtiEnv *jvmti) {
    mutex.notify();
}

static void JNICALL GarbageCollectionFinish(jvmtiEnv *jvmti) {
    isEnd = true;
}

在开始时，main线程首先执行Java_cn_hotspotvm_TestJNI_inc()函数，导致main()函数在wait()处等待，但是另外一个线程调用了System.gc()，这样VMThread线程就会调用回调函数GarbageCollectionStart()让main()线程开始执行加一的逻辑，在GC结束时停止加1逻辑，并将结果返回。

某一次在我本地机器上运行的结果为3699329，可以看到在GC垃圾回收期间，执行native函数的线程确实在运行。线程交互图如下所示。

这里还有个问题，native线程还在运行，那么如果它操作了Java对象，那不会引起应用程序错误吗？其实native函数原则上并不允许直接操作Java对象，如果要操作，那只能通过JNI来操作，在JNI中定义了许多操作Java对象的方法，举个例子如下：

JNIEXPORT jobject JNICALL Java_cn_hotspotvm_TestJNI_createObject(JNIEnv *env, jobject) {
    // 1. 获取jclass
    jclass clazz = env->FindClass("cn/hotspotvm/TestJNI");

    // 2. 获取构造函数ID
    jmethodID constructorId = env->GetMethodID(clazz, "<init>", "()V");

    // 3. 创建对象
    jobject obj = env->NewObject(clazz, constructorId);
    return obj;
}

NewObject()函数的调用由于涉及到了Java对象，所以这个线程在进入HotSpot世界时，如果GC垃圾收集还在继续，当前的线程会阻塞，直到GC完成后唤醒，这样就能继续执行了，所以通过JNI接口来保证线程不会干扰到GC。

在《深入剖析Java虚拟机HotSpot：源码剖析与实例详解》一书中的 执行本地代码线程进入安全点 一小节详细剖析过代码实现，这里简单给一个交互的图示。

调用的NewObject()函数会在GC垃圾收集器期间调用到SafepointSynchronize::block()阻塞，在GC执行完成后继续执行。

不过有时候为了效率，native中还是能直接操作Java对象的，不过在直接操作Java对象前，需要进入临界区才可以。举个例子如下：

public class TestJNI {
    // 对int数组每个元素+1
    public native void processIntArray(int[] array);
}　　

native的C/C++函数实现如下：

#include <jni.h>

JNIEXPORT void JNICALL Java_cn_hotspotvm_NativeArrayProcessor_processIntArray(
    JNIEnv *env, jobject obj, jintArray arr) {

    jint *c_array = NULL;
    jboolean isCopy = JNI_FALSE;

    // 1. 进入临界区获取数组指针
    c_array = (jint*) env->GetPrimitiveArrayCritical(arr, &isCopy);
    if (c_array == NULL) {
        return; // 内存不足或JVM不支持时返回NULL
    }

    // 2. 操作数组（临界区内禁止调用其他JNI函数！）
    jsize length = env->GetArrayLength(arr);
    for (int i = 0; i < length; i++) {
        c_array[i] += 1; // 每个元素+1
    }

    // 3. 退出临界区（必须严格配对调用）
    env->ReleasePrimitiveArrayCritical(arr, c_array, 0);
}

在操作Java堆中的基本类型数组时，可通过GetPrimitiveArrayCritical()进入临界区，通过ReleasePrimitiveArrayCritical()退出临界区。在调用GetPrimitiveArrayCritical()函数时返回了一个指针，这个指针不再是句柄，而是直接指向堆中数组首地址的指针，函数的实现如下：

JNI_ENTRY(void*, jni_GetPrimitiveArrayCritical(JNIEnv *env, jarray array, jboolean *isCopy))
  GC_locker::lock_critical(thread);
  if (isCopy != NULL) {
    *isCopy = JNI_FALSE;
  }
  oop a = JNIHandles::resolve_non_null(array);
  BasicType type;
  if (a->is_objArray()) {
    type = T_OBJECT;
  } else {
    type = TypeArrayKlass::cast(a->klass())->element_type();
  }
  void* ret = arrayOop(a)->base(type);
  return ret;
JNI_END

调用GC_locker::lock_critical()函数进入临界区，这里就不多介绍了，后续会详细介绍。　　

在如上函数中，最重要的就是调用了JNIHandles::resolve_non_null()函数获取句柄里封装的对象引用，直接返回了这个对象引用。

如果在返回数组首地址时，GC将数组从一个地方移动到另外一个地方，此时在native中操作的数组其实是一个无效数组，这样就会出现错误，为了防止这样的问题，才会有临界区。

当线程进入临界区时，会阻塞GC垃圾收集，当最后一个线程离开时，会触发一个原因为_gc_locker的GC垃圾收集。

临界区是为了让native线程高效操作数组，如果没有临界区，那么我们就需要在做数组操作时，将数组拷贝到C堆上，然后做才行，如果拷贝的数组很大，这会严重影响应用程序效率的。

这里还涉及到了句柄，句柄也是一种设计，也能让native函数可以很好的和GC配合起来，如下所示。

与直接引用比起来，句柄就是一种间接引用，不过将所有引用集中在句柄区就能让GC高效的扫描，native函数通过句柄也能安全操作对象，假设GC将对象Oop1从Eden区移动到了To区，只需要将句柄中封装的引用地址更新为最新地址即可。如下图所示。