【深入理解JVM（二）】：对象揭秘与堆内存分配策略

JVM 系列文章目录

第一篇：内存区域与内存异常
第二篇：对象揭秘与堆内存分配策略
第三篇：垃圾回收
第四篇：类加载机制
第五篇：性能优化（上）

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一、对象的创建过程

  Java是一门面向对象的编程语言，在 Java 程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。在语言层面上，对象的创建通常仅仅是一个 new 关键字而已，而在虚拟机中，对象的创建又是怎样一个过程呢？

1、检查加载

  虚拟机遇到一个 new 指令时，首先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经被加载、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（后续详细探讨）。

2、分配内存

  对象所需的大小，类加载完后便可完全确定，分配内存等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。根据内存规整情况，有指针碰撞和空闲列表两种分配方式。

• 指针碰撞：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：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。

  具体分配方式由堆是否规整决定，堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。如果是 Serial、ParNew 等带有压缩的整理的垃圾回收器的话，系统采用的是指针碰撞，既简单又高效；如果是使用 CMS 这种不带压缩（整理）的垃圾回收器的话，理论上只能采用较复杂的空闲列表。

  除此之外，对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，因而产生大量的线程并发安全问题。JVM 通常采用 CAS 机制和内存缓冲方案，来处理对象创建中线程安全问题。

• CAS：通过自旋加失败重试，保证更新操作的原子性。
• 分配缓冲：也就是本地线程分配缓冲，（Thread Local Allocation Buffer，TLAB），即每个线程在堆中预先分配一小块内存。在线程初始化时，同时也会申请一块指定大小的内存，只给当前线程使用，这样每个线程都单独拥有一个 Buffer，如果需要分配内存，就在自己的 Buffer上 分配，这样就不存在竞争的情况，可以大大提升分配效率，当 Buffer 容量不够的时候，再重新从 Eden 区域申请一块继续使用。

3、内存空间初始化

  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(如 int 值为 0，boolean 值为 false 等等)。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。

4、设置

  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之中。

5、对象初始化

  在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚刚开始（ init 方法还没有执行），所有的字段都还为零值。所以，一般来说，执行 new 指令之后会接着执行 init 方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

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二、对象的内存布局

  在 HotSpot VM 中，对象内存存储中的布局可以分为三个区域：对象头、实例数据和对齐填充。

• 对象头：包括两部分信息，一部分用来存储对象本身的运行时数据，如哈希码、GC年龄、锁状态、线程持有的锁等，称之为 Mark Word。另一部分是类型指针，即对象指向它类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定对象是哪个类的实例。
• 实例数据：对象真正存储的有效信息，也就是代码中定义的各种类型字段内容。
• 对齐填充：仅仅起着占位符作用，因为 HotSpot VM 要求对象的起始地址必须为8字节的整数倍。

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三、对象的访问方式

  建立对象是为了使用对象，我们的 Java 程序需要通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。目前主流的方式有句柄和直接指针两种。

• 句柄：堆中会划分出一块内存来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息。
• reference 中存储的直接就是对象地址。

  两种对象访问方式各有优势，使用句柄来访问的最大好处就是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在 Java 中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。对 HotSpot VM 而言，它是使用直接指针访问方式进行对象访问的。

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四、堆内存分配策略

1、对象优先在Eden分配：

  大多数情况下，对象在年轻代 Eden 区中分配。当 Eden 区没有足够空间分配时，虚拟机将发起一次 YGC。

2、大对象直接进入老年代：

  有两种情况，对象会直接分配到老年代。一种是在新生代分配失败且对象是一个大数组，可被直接分配到老年代，避免新生代的一次 GC。另一种是通过 XX:PretenureSizeThreshold 设置分配到新生代对象的大小限制，超过这个限制的对象直接进入到老年代，避免在 Survivor 区大量内存复制。

3、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 YGC 后仍然存活，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 区中每熬过一次 YGC 年龄就增加 1，当它的年龄增加到一定程度（默认为15）时，就会被晋升到老年代中。

4、动态对象年龄判定：

  如果在 Survivor 空间中相同年龄所有对象大小的综合大于 Survivor 空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象就可以直接进入老年代。

5、空间分配担保：

  在发生 YGC 之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那么 YGC 可以确保是安全的。如果不成立，则虚拟机会查看 HandlePromotionFailure 设置值是否允许担保失败。如果允许，那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次 YGC，尽管这次 YGC 是有风险的，如果小于或者不允许，则会进行一次 FGC。