堆快照

2020 年 8 月 26 日

这里介绍的工作是作为 Oracle、乌普萨拉大学和 KTH 之间的联合研究项目的一部分进行的。关注 inside.java 上的博客系列，了解更多关于在斯德哥尔摩的 Oracle 开发办公室进行的 JVM 研究。

嗨！我是 Ludvig，来自斯德哥尔摩的计算机科学学生。我目前正在完成我的 5 年制教育，重点是理论计算机科学，并向专业工作迈进。我的背景包括组织黑客马拉松和年度 djulkalendern CTF 挑战的志愿者工作，在巴塞罗那的交流，创业工作，增强现实的研发，以及在 KTH 的各种课程中的助教职位，包括算法和交互式编程。我今年夏天的目标包括更深入地学习 Rust 和 Clojure。

在我的 Oracle 硕士论文中，我研究了“堆快照”，这是一种可能减少 JVM 启动时间的方案。总的来说，鉴于 JVM 初始化需要很长时间，但被认为是相当确定的，我们不能在初始化结束时对整个堆进行快照，并在下次启动时直接从该初始化状态开始吗？我们可能需要做一些“修复程序”来确保快照能够实际启动，但假设这些程序不会花费太多时间，它应该可以节省启动时间。

heap snapshot

那么，这可以做到吗？或者 JVM 太复杂了，无法支持这种粗略的操作？实际情况下的时间结果如何？

事实证明，这是可以做到的，因为我已经能够实现这样的恢复。快照是在非常早的时候拍摄的，在函数 Threads::initialize_java_lang_classes 中，并且使用 Epsilon GC 来简化处理，以避免处理任何垃圾收集，并获得一个连续的堆。还有许多其他类似的简化，修复这些问题留待以后的工作。

问题是，这样的快照是否稳定。我们能否相信恢复的状态将正常工作？我们有充分的理由怀疑，但我的实现通过了 OpenJDK 发行版中包含的所有相关测试，以及在运行它的几个应用程序上的测试。

另一个积极的，也是意料之外的结果是，即使在这个小型原型中，也有一些微不足道的性能提升。也就是说，快照节省的时间大于加载快照并修复它所需的时间。即使没有这种情况，我也会对自己的工作感到满意，但看到这种情况还是挺好的。

然而，预计更大的结果将在未来有人继续我的工作时出现。堆快照点（参见插图）可以并且应该在时间线上推迟。快照覆盖的每个后续步骤意味着在初始化方面节省更多时间。长远目标不仅是快照 JVM 初始化，而且是通过向程序员公开的 API 快照 Java 中实际程序的确定性部分。也许甚至可以有一个完整的类型系统，用于标记状态的非确定性部分和其他敏感内容，以便自动删除？

虽然不得不在我刚学会调试 JVM 中的错误并不断推动快照点时停止工作感觉很不好，但我的硕士论文阶段已经结束了。我相信它将在未来落入有能力的人手中，因为 Oracle 已经计划引进更多硕士生。最后，我在 Oracle 工作期间学到了很多东西，与斯德哥尔摩 JPG 办公室的人们一起，我无法想象一个更好的硕士论文阶段。

至于我为什么选择 Oracle 作为我的论文，我承认我一开始持怀疑态度，因为它是一家非常大的公司。然而，我碰巧在职业生涯博览会晚宴上与 Oracle 的几位工程师坐在一起，我被他们表现出的轻松能力所吸引。我确实感觉到这些人是真正的专家，我肯定可以从他们那里学到很多东西。最后，事实证明 Oracle 的提议最适合我的技能，因此，在个人经历的激励下，我接受了他们的提议，并没有失望。

最后，我要感谢斯德哥尔摩 JPG 办公室的所有人，感谢他们的耐心，愿意分享知识，以及让我感觉自己是团队中的一员。我特别感谢 Ioi Lam 和 Tobias Wrigstad 的投入时间。没有他们，我的论文结果是不可能实现的。