第43篇-JNI引用的管理（2）

2021 年 12 月 14 日
筆記

之前我們已經介紹了JNIHandleBlock，但是沒有具體介紹JNIHandleBlock中存儲的句柄，這一篇我們將詳細介紹對這些句柄的操作。

JNI句柄分為兩種，全局和局部對象引用：

（1）大部分對象的引用屬於局部對象引用，最終還是調用了JNIHandleBlock來管理，因為JNIHandle沒有設計一個JNIHandleMark的機制，所以在創建時需要明確調用JNIHandles::make_local()函數，在回收時也需要明確調用JNIHandles::destory_local()函數；

（2）對於全局對象的引用，比如在編譯任務compilerTask中會訪問Method實例，這時候就需要把這些實例設置為全局的（否則在GC時可能會被回收）。

下面我們就來詳細介紹一下局部對象的引用和全局對象的引用。　　

1、局部對象引用

當我們編寫本地函數時，可能會調用JNI函數獲取父類，獲取父類的JNI函數jni_GetSuperclass()的實現如下：

JNI_ENTRY(jclass, jni_GetSuperclass(JNIEnv *env, jclass sub))
  JNIWrapper("GetSuperclass");
  jclass obj = NULL;
  // ...
  obj = (super == NULL) ? NULL : (jclass) JNIHandles::make_local(super->java_mirror());
  return obj;
JNI_END

也就是獲取sub類的父類時，如果查詢到的父類super不為null，則在返回時需要返回句柄，此時就會調用JNIHandles::make_local()函數。調用的JNIHandles::make_local()函數的實現如下：

jobject JNIHandles::make_local(Thread* thread, oop obj) {
  if (obj == NULL) {
    return NULL;  
  } else {
    assert(Universe::heap()->is_in_reserved(obj), "sanity check");
    return thread->active_handles()->allocate_handle(obj);
  }
}
 
 
jobject JNIHandles::make_local(JNIEnv* env, oop obj) {
  if (obj == NULL) {
    return NULL;       
  } else {
    JavaThread* thread = JavaThread::thread_from_jni_environment(env);
    // 確保obj是堆上的對象，因為只有堆上的對象才會移動，才會被GC回收
    assert(Universe::heap()->is_in_reserved(obj), "sanity check");
    return thread->active_handles()->allocate_handle(obj);
  }
}

obj是堆中的對象，現在本地函數要通過句柄訪問這個對象，此時會調用JNIHandles::make_local()函數創建出對應的句柄，這個句柄的記憶體空間是從JNIHandleBlock中分配出來的。　

調用的JavaThread::thread_from_jni_environment()函數的實現如下：　

static JavaThread* thread_from_jni_environment(JNIEnv* env) {
    // 直接通過地址偏移得到JavaThread*，這是因為 
    // JavaThread類中定義了JNIEnv類型的欄位    
    JavaThread *thread_from_jni_env = (JavaThread*)(
                                 (intptr_t)env - in_bytes(jni_environment_offset())
                  );

    // 最後檢查執行緒是否已經終止狀態，沒有終止才返回該執行緒對象
    if (thread_from_jni_env->is_terminated()) {
       thread_from_jni_env->block_if_vm_exited();
       return NULL;
    } else {
       return thread_from_jni_env;
    }
}

在JNIHandles::make_local()函數中調用的JNIHandleBlock::allocate_handle()函數進行句柄分配。

Java執行緒使用一個對象句柄存儲塊JNIHandleBlock來為其在本地函數中申請的臨時對象創建對應的句柄。具體就是調用JNIHandleBlock::allocate_handle()函數分配句柄，此函數的實現如下：

jobject JNIHandleBlock::allocate_handle(oop obj) {
  assert(Universe::heap()->is_in_reserved(obj), "sanity check");
  if (_top == 0) {
    for (JNIHandleBlock* current = _next;
            current != NULL;
            current = current->_next
    ){
      assert(current->_last == NULL, "only first block should have _last set");
      assert(current->_free_list == NULL,"only first block should have _free_list set");
      current->_top = 0;
      if (ZapJNIHandleArea)
          current->zap();
    }
    // 重轉相關變數的值
    _free_list = NULL;
    _allocate_before_rebuild = 0;
    _last = this;
    if (ZapJNIHandleArea)
        zap();
  }
 
  // 當前的JNIHandleBlock::_handles中能夠有空閑的slot分配句柄則分配後直接返回
  if (_last->_top < block_size_in_oops) {
    oop* handle = &(_last->_handles)[_last->_top++];
    *handle = obj;
    return (jobject) handle;
  }
 
  // 如果有空閑的句柄slot，則從列表中第1個空閑的句柄slot中分配句柄並返回
  if (_free_list != NULL) {
    oop* handle = _free_list;
    _free_list = (oop*) *_free_list;
    *handle = obj;
    return (jobject) handle;
  }

  // 如果_last後有空閑的JNIHandleBlock，則從此JNIHandleBlock中分配
  if (_last->_next != NULL) {
    _last = _last->_next;
    return allocate_handle(obj); // 遞歸調用
  }
 
  // 沒有空閑的JNIHandleBlock，並且當前的JNIHandleBlock也無法分配句柄需要的內容，則調用rebuild_free_list
  if (_allocate_before_rebuild == 0) {
      rebuild_free_list();   
  } else {
    Thread* thread = Thread::current();
    Handle  obj_handle(thread, obj);
    // 關於allocate_block()函數在之前已經介紹過
    _last->_next = JNIHandleBlock::allocate_block(thread);
    _last = _last->_next;
    _allocate_before_rebuild--;
    obj = obj_handle();
  }

  // 再次嘗試從當前的JNIHandleBlock中分配句柄需要的記憶體
  return allocate_handle(obj); // 遞歸調用
}

當_allocate_before_rebuild的值為0時，會調用rebuild_free_list()函數重建_free_list列表，_free_list列表中的各個slot都是分布在各個已經使用了的JNIHandleBlock中的空閑slot，所以重建就意味著我們要掃描所有已經使用了的slot，然後找到空閑的slot連接到這個單鏈表中，最大限度的重用slot。

調用的rebuild_free_list()函數的實現如下：

void JNIHandleBlock::rebuild_free_list() {
  assert(_allocate_before_rebuild == 0 && _free_list == NULL, "just checking");
  int free = 0;
  int blocks = 0;
  for (JNIHandleBlock* current = this; current != NULL; current = current->_next) {
    for (int index = 0; index < current->_top; index++) {
      oop* handle = &(current->_handles)[index];
      if (*handle ==  JNIHandles::deleted_handle()) {
        // 找到了空閑的slot，連接到單鏈表上
        *handle = (oop) _free_list;
        _free_list = handle;
        free++;
      }
    }
    blocks++;
  }


  // 當已經使用過的slot中有超過一半的slot都是空閑的，那麼我們其實偏向於不再重新分配JNIHandleBlock，
  // 而是重用這些空閑slot；當空閑的slot少時，會計算出_allocate_before_rebuild值，這樣就會偏向於
  // 從新的JNIHandleBlock中分配句柄
  int total = blocks * block_size_in_oops;
  int extra = total - 2*free;
  if (extra > 0) {
    // Not as many free handles as we would like - compute number of new blocks to append
    _allocate_before_rebuild = (extra + block_size_in_oops - 1) / block_size_in_oops;
  }
}

我們除了查找所有的空閑slot並連接到_free_list上之外，還要計算_allocate_before_rebuild值。如果計算出的_allocate_before_rebuild值大於0，那麼我們查看JNIHandleBlock::allocate_handle()這個函數的邏輯，可以看到當無法分配句柄時，偏向於分配新的JNIHandleBlock，然後從JNIHandleBlock::_handles數組中分配句柄，否則從_free_list中重用空閑句柄，這就很好的避免了過度分配太多的JNIHandleBlock，如果過度分配太多的JNIHandleBlock，不但會加重GC掃描過程中的時間，也會佔用更多的記憶體空間。

釋放句柄的函數如下：

inline void JNIHandles::destroy_local(jobject handle) {
  if (handle != NULL) {
    // 使用JNIHandles::_deleted_handle來初始化，這個值在
    // JNIHandles::initialize()函數中會初始化為Object對象，用來
    // 表示這個slot為空，沒有存儲對象
    *((oop*)handle) = deleted_handle(); 
  }
}

程式碼實現非常簡單，這裡不再詳細介紹。　　　

2、全局對象引用

在分配全局變數時，調用如下函數：

jobject JNIHandles::make_global(Handle obj) {
  jobject res = NULL;
  if (!obj.is_null()) {
     MutexLocker ml(JNIGlobalHandle_lock);
     assert(Universe::heap()->is_in_reserved(obj()), "sanity check");
     res = _global_handles->allocate_handle(obj()); // 同樣調用allocate_handle()函數處理
  } 
 
  return res;
}

在分配全局對象引用時，同樣會調用allocate_handle()句柄，實現相對局部對象引用來說比較簡單，通過一個全局的_global_handles來保存一個JNIHandleBlock的單鏈表，這個單鏈表中的JNIHandleBlock節點只增不減，所以如果某個時間點，全局對象引用足夠多時會為GC帶來不小負擔，尤其是忘記釋放全局對象引用會引起記憶體泄漏。

調用JNIHandles::destroy_global()函數釋放全局對象引用：

void JNIHandles::destroy_global(jobject handle) {
  if (handle != NULL) {
    *((oop*)handle) = deleted_handle(); 
  }
}

函數的實現非常簡單，這裡不再介紹。

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