JVM对象创建与内存分配机制剖析

有浊
131 阅读13分钟

对于Math math=new Math();new对象的操作,底层先会去判断Math这个类是否被加载过，如果被加载过，就开始new对象，对象可能放在堆里面，也可能放在栈里面，不管放在哪里都需要给对象分配内存，

image.png

对象创建的主要流程：

  1. 类加载检查

虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。 new指令对应到语言层面上讲是，new关键词、对象克隆、对象序列化等。

  1. 分配内存

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类 加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务等同于把 一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。

  • 这个步骤有两个问题:
  1. 如何划分内存。
  2. 在并发情况下， 可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的 情况。 划分内存的方法:
  • “指针碰撞”(Bump the Pointer)(对象内存分配默认用指针碰撞) JVM内部维护这样一个指针，如果Java堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点 的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。
  • “空闲列表”(Free List)

如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空 闲的内存相互交错，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟 机就必须维护一个列表，记 录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例， 并更新列表上的记录 针对上面两种方式，不同的垃圾收集器用到的垃圾回收算法不一样标记整理---指针碰撞、标记清楚（有大量的内存碎片）-----空闲列表

分配存在并发问题

每个线程都有自己的对象要往这个内存中放对象，不管是上面的那种分配方式，会存在一个问题，线程对同一块内存进行争抢。JVM为了解决对象分配的并发问题通过下面两种方法来解决 解决并发问题的方法:

  • CAS(compare and swap)

虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性来对分配内存空间的动作进行同步处理。即：多个线程同时争抢一块内存空间，哪个线程抢成功了就分配给哪个线程，没抢成功就重试争夺后面的内存空间给线程对象进行内存分配。

  • 本地线程分配缓冲(Thread Local Allocation Buffer,TLAB)

给每个线程预先在堆里面，比如说Eden区，划分一块线程专属的内存空间，把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存。每个线程之王自己的专属线程空间给对象分配内存，通过­XX:+/­ UseTLAB参数来设定虚拟机是否使用TLAB(JVM会默认开启­XX:+UseTLAB)，­XX:TLABSize 指定TLAB大小，放不下就走CAS操作

  1. 初始化

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头)， 如果使用TLAB，这一工作过程也 可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问 到这些字段的数据类型所对应的零值。

  1. 设置对象头

初始化零值之后，虚拟机要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头Object Header之中。 在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域:对象头(Header)、 实例数据(Instance Data) 和对齐填充(Padding)。 HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据， 如哈 希码(HashCode)、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。对象头的另外一部分 是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

image.png 对象不只是由成员变量组成，一个对象new出来是放在堆内存里面的，在这个对象的头部区域有一个指针，指向对象所属的类的元数据信息。即：每个对象的头部都有一个类型指针指向当前对象所属的类元数据信息。

math.compute()//math对象调用compute方法找到这个方法的元数据信息
Class<? extends Math> mathClass = math.getClass();//Math类所属的对象，这个对象放在堆区域中

mathClass和Math.class整体属于类元信息，放在方法区中。

mathClass属于对项头的信息，类装载完之后JVM内部通过KClass point（类型指针）访问Math.class这个类的类元数据信息的途径，而java开发人员通过Java反射来获取

mathClass可以理解为类的一个镜像，可以通过这个映射到方法区中的类元信息

image.png 5. 执行init方法

执行方法，即对象按照程序员的意愿进行初始化。对应到语言层面上讲，就是为属性赋值(注意，这与上面的赋零值不同，这是由程序员赋的值)，和执行构造方法。

指针压缩

开启某个参数，把对象的内存地址压缩成更小的字节数，不用指针压缩的话，这些对象都放到堆里面，增大了很多的空间，导致整个堆的压力非常的大，这增加了GC的频率。通过指针压缩可以减少堆的内存大小，同样的堆可以放更让多的对象，才会触发GC — 启用指针压缩

  1. -XX:+UseCompressedOops(jdk1.6默认开启)
  2. -XX:-UseCompressedOops----禁止指针压缩

为什么指针压缩

  1. 在64位平台的HotSpot中使用32位指针，内存使用会多出1.5倍左右，使用较大指针在主内存和缓存之间移动数据， 占用较大宽带，同时GC也会承受较大压力
  2. 为了减少64位平台下内存的消耗，启用指针压缩功能
  3. 在jvm中，32位地址最大支持4G内存(2的32次方)，可以通过对对象指针的压缩编码、解码方式进行优化，使得jvm 只用32位地址就可以支持更大的内存配置(小于等于32G)
  4. 堆内存小于4G时，不需要启用指针压缩，jvm会直接去除高32位地址，即使用低虚拟地址空间
  5. 堆内存大于32G时，压缩指针会失效，会强制使用64位(即8字节)来对java对象寻址，这就会出现1的问题，所以堆内 存不要大于32G为好

对象内存分配

  • 对象在栈上的分配

    我们通过JVM内存分配可以知道JAVA中的对象都是在堆上进行分配，当对象没有被引用的时候，需要依靠GC进行回收内 存，如果对象数量较多的时候，会给GC带来较大压力，也间接影响了应用的性能。为了减少临时对象在堆内分配的数 量，JVM通过逃逸分析确定该对象不会被外部访问。如果不会逃逸可以将该对象在栈上分配内存，这样该对象所占用的 内存空间就可以随栈帧出栈而销毁，就减轻了垃圾回收的压力。

    对象逃逸分析：

    分析对象动态作用域，当一个对象在方法中被定义后，它可能被外部方法引用，例如在一个方法的返回值中直接返回一个对象，作为调用参数传递到其他的地方。

    public User test1(){
    User user = new User();
    user.setId(1);
    user.setName("zhangsan");
//TODO 保存到数据库中
    return user;//这个对象被返回，这个对象的作用域范围不确定
}

 public void test2(){
    User user = new User();
    user.setId(1);
    user.setName("zhangsan");
//TODO 保存到数据库中

    显然test1方法中user对象被返回了， 这个对象的作用域范围不确定，test2方法中的user对象我们可以确定当方法结 束这个对象就可以认为是无效对象了，对于这样的对象我们其实可以将其分配在栈内存里，让其在方法结束时跟随栈内 存一起被回收掉。 JVM对于这种情况可以通过开启逃逸分析参数(-XX:+DoEscapeAnalysis)来优化对象内存分配位置，使其通过标量替换优先分配在栈上(栈上分配，减少对象在堆上的分配以缓解GC压力)，JDK7之后默认开启逃逸分析，如果要关闭使用参数(-XX:-DoEscapeAnalysis)

    • 标量替换

    用不可分解的量来替换可分解的量，经过逃逸分析确定某对象不会被外部访问（注意跟上面说的无效对象分开理解），并且对象可以被进一步分解时（聚合量），可以使用标量替换的方式，替换聚合量，让被代替的对象在栈帧或者寄存器上面分配内存，这样就不会因为没有一大块连续空间导致对象内存不够分配。开启标量替换参数(-XX:+EliminateAllocations)，JDK7之后默认 开启。

    • 标量与聚合量

    标量即不可被进一步分解的量，而JAVA的基本数据类型就是标量（如：int，long等基本数据类型以及 reference类型等），标量的对立就是可以被进一步分解的量，而这种量称之为聚合量。而在JAVA中对象就是可以被进一 步分解的聚合量。 总结：栈上分析依赖于逃逸分析和标量替换，目的是为了减少临时对象在堆内分配的数量，缓解在GC过程中的压力。

  • 对象在Eden区分配

    大多数情况下，对象在新生代中 Eden 区分配。当 Eden 区没有足够空间进行分配时，虚拟机将发起一次Minor GC

    ** MinorGC和fullGC的区别**

    • MinorGC/YoungGC:指的是发生在新生代的垃圾回收动作，比较频繁，回收动作一般比较快
    • FUllGC/MajorGC:一般会回收老年代，年轻代，方法区中的垃圾，速度一般比MinorGC慢10倍以上。

  • 大对象直接进入老年代

    大对象就是需要大量连续内存空间的对象（比如：字符串、数组）。JVM参数 -XX:PretenureSizeThreshold 可以设置大 对象的大小，如果对象超过设置大小会直接进入老年代，不会进入年轻代，这个参数只在 Serial 和ParNew两个收集器下 有效。 比如设置JVM参数：-XX:PretenureSizeThreshold=1000000 (单位是字节) -XX:+UseSerialGC ，再执行下上面的第一 个程序会发现大对象直接进了老年代

    为什么要这样呢？ 为了避免为大对象分配内存时的复制操作而降低效率。

  • 长期存活的对象进入老年代

既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存，那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代，哪些对象应放在 老年代中。为了做到这一点，虚拟机给每个对象一个对象年龄（Age）计数器。 如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然能够存活，并且能被 Survivor 容纳的话，将被移动到 Survivor 空间中，并将对象年龄设为1。对象在 Survivor 中每熬过一次 MinorGC，年龄就增加1岁，当它的年龄增加到一定程度 （默认为15岁，CMS收集器默认6岁，不同的垃圾收集器会略微有点不同），就会被晋升到老年代中。对象晋升到老年代 的年龄阈值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 来设置。

经过15次MinorGC还存活的对象可进入老年代

  • 对象动态年龄判断

当前放对象的Survivor区域里(其中一块区域，放对象的那块s区)，一批对象的总大小大于这块Survivor区域内存大小的 50%(-XX:TargetSurvivorRatio可以指定)，那么此时大于等于这批对象年龄最大值的对象，就可以直接进入老年代了， 例如Survivor区域里现在有一批对象，年龄1+年龄2+年龄n的多个年龄对象总和超过了Survivor区域的50%，此时就会 把年龄n(含)以上的对象都放入老年代。这个规则其实是希望那些可能是长期存活的对象，尽早进入老年代。对象动态年龄判断机制一般是在minor gc之后触发的

总结：当前放对象的survivor区,一批对象的总大小大于这块Survivor区内存大小的50%，此时大于等于这批对象年龄最大值的对象，就可以直接进入老年代了。

  • 老年代空间分配担保机制 判断老年代是否有足够的空间，来存放MinorGC后存活的剩余对象的大小，如果没有就触发一次fullGC,让老年代腾出更大的空间，确保能够存放minorGc后存活可进入老年代的对象。

年轻代每次minor gc之前JVM都会计算下老年代剩余可用空间 如果这个可用空间小于年轻代里现有的所有对象大小之和(包括垃圾对象) 就会看一个“-XX:-HandlePromotionFailure”(jdk1.8默认就设置了)的参数是否设置了 如果有这个参数，就会看看老年代的可用内存大小，是否大于之前每一次minor gc后进入老年代的对象的平均大小。 如果上一步结果是小于或者之前说的参数没有设置，那么就会触发一次Full gc，对老年代和年轻代一起回收一次垃圾， 如果回收完还是没有足够空间存放新的对象就会发生"OOM" 当然，如果minor gc之后剩余存活的需要挪动到老年代的对象大小还是大于老年代可用空间，那么也会触发full gc，full gc完之后如果还是没有空间放minor gc之后的存活对象，则也会发生“OOM

avatar
文章
阅读
粉丝