13.JVM对象创建与内存分配机制深度剖析

小虾米吃橘子
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了解创建对象的流程

  • 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，先执行相应的类加载过程。
  • 分配内存（与垃圾收集机制有关）
    • 对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定。
    • 划分内存的方法
      • “指针碰撞”（Bump the Pointer）(默认用指针碰撞)
      • “空闲列表”（Free List）
    • 分配内存存在并发问题，解决方法
      • CAS（compare and swap）
      • 本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）
  • 初始化零值
    • 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）
  • 设置对象头
    • 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
  • 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

对象头图示

clipboard (2).png

对象大小可以用jol-core包查看，引入依赖

<dependency>
    <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
    <artifactId>jol-core</artifactId>
    <version>0.9</version>
</dependency>

为什么要进行指针压缩

  • 在64位平台的HotSpot中使用32位指针(实际存储用64位)，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
  • 为了减少64位平台下内存的消耗，启用指针压缩功能
  • 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存入堆内存时压缩编码、取出到cpu寄存器后解码方式进行优化(对象指针在堆中是32位，在寄存器中是35位，2的35次方=32G)，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)
  • 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
  • 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

**关于对齐填充：**对于大部分处理器，对象以8字节整数倍来对齐填充都是最高效的存取方式。

对象内存分配

327202027172.png

对象栈上分配

**结论：**栈上分配依赖于逃逸分析和标量替换

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。

  • Minor GC/Young GC：指发生新生代的的垃圾收集动作，Minor GC非常频繁，回收速度一般也比较快
  • Major GC/Full GC：一般会回收老年代 ，年轻代，方法区的垃圾，Major GC的速度一般会比Minor GC的慢10倍以上。

添加运行JVM参数： -XX:+PrintGCDetails , 可以查看内存的使用情况。

大对象直接进入老年代

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。

为了避免为大对象分配内存时的复制操作而降低效率。

长期存活的对象将进入老年代

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。

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。

老年代空间分配担保机制

如图所示

clipboard (3).png

对象内存回收

引用计数法

这个方法实现简单，效率高，但是目前主流的虚拟机中并没有选择这个算法来管理内存，其最主要的原因是它很难解决对象之间相互循环引用的问题。

public class ReferenceCountingGc {
   Object instance = null;

   public static void main(String[] args) {
      ReferenceCountingGc objA = new ReferenceCountingGc();
      ReferenceCountingGc objB = new ReferenceCountingGc();
      objA.instance = objB;
      objB.instance = objA;
      objA = null;
      objB = null;
   }
}

上面的示例会导致，无法通知 GC 回收器回收他们。

可达性分析算法

将**“GC Roots”** 对象作为起点，从这些节点开始向下搜索引用的对象，找到的对象都标记为非垃圾对象，其余未标记的对象都是垃圾对象

常见引用类型

java的引用类型一般分为四种：强引用、软引用、弱引用、虚引用

finalize()方法最终判定对象是否存活

即使在可达性分析算法中不可达的对象，也并非是“非死不可”的，这时候它们暂时处于“缓刑”阶段，要真正宣告一个对象死亡，至少要经历再次标记过程。

注意：一个对象的finalize()方法只会被执行一次，也就是说通过调用finalize方法自我救命的机会就一次。

名词解释

CAS 在虚拟机的内存分配中指的是 Compare And Swap,即比较并交换。

它可以实现无锁的原子操作,通过忙等待+重试的机制来确保更新的原子性。

可达性分析算法(Reachability Analysis)是垃圾收集器判断哪些内存需要回收的一种方法

  1. 从GC Roots出发向下搜索GC Roots包括栈帧中的引用、静态变量引用、常量引用等,从这些节点向下开始搜索。
  2. 根据引用关系连通图标记可达对象从GC Roots开始按照引用关系向下搜索,所有被GC Roots连通到的对象都标记为可达对象。
  3. 扫描并标记整个堆空间中的所有对象遍历堆空间的所有对象,并标记这些对象是否可达。
  4. 回收未标记的对象然后进行垃圾回收,未被标记的对象就可以被判断为不可达对象,安全回收其占用的内存。
  5. 移动并压缩存活对象最后可以将存活的可达对象移动和压缩,形成连续的内存空间。
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