JVM(三)JVM对象创建与内存分配机制

对象的创建

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。

2. 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)(默认用指针碰撞)

    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。

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。

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

    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。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。

3. 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。

4. 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)

    • 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,这部分数据官方称为Mark Word
    • 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。
  • 实例数据(Instance Data)

    存放对象的有效信息,即我们代码里定义的各种字段。

  • 对齐填充(Padding)

    由于HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求任何对象的大小都必须8字节的整数倍,对象头部分已经被设计好了正好是8字节的整数倍,所以如果实例数据部分没有对齐的话,就需要对齐填充来补全。

对象内存布局.png

5. 初始化

执行<clinit>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),和执行构造方法以及静态代码块。

对象大小与指针压缩

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>

测试案例

public class JOLSample {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(new Object());
        System.out.println(layout.toPrintable());

        System.out.println();
        ClassLayout layout1 = ClassLayout.parseInstance(new int[]{});
        System.out.println(layout1.toPrintable());

        System.out.println();
        ClassLayout layout2 = ClassLayout.parseInstance(new A());
        System.out.println(layout2.toPrintable());
    }
    // -XX:+UseCompressedOops           默认开启的压缩所有指针
    // -XX:+UseCompressedClassPointers  默认开启的压缩对象头里的类型指针Klass Pointer
    // Oops : Ordinary Object Pointers
    public static class A {
        //8B mark word
        //4B Klass Pointer   如果关闭压缩-XX:-UseCompressedClassPointers或-XX:-UseCompressedOops,则占用8B
        int id;        //4B
        String name;   //4B  如果关闭压缩-XX:-UseCompressedOops,则占用8B
        byte b;        //1B
        Object o;      //4B  如果关闭压缩-XX:-UseCompressedOops,则占用8B
    }
}

对象内存分配

对象栈上分配

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:就是分析对象动态作用域,当一个对象在方法中被定义后,它可能被外部方法所引用,例如作为调用参数传递到其他地方中。

public User test1() {
   User user = new User();
   user.setId(1);
   return user;
}

public void test2() {
   User user = new User();
   user.setId(1);
}

很显然test1()方法中的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),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:**通过逃逸分析确定该对象不会被外部访问,并且对象可以被进一步分解时,JVM不会创建该对象,而是将该对象成员变量分解若干个被这个方法使用的成员变量所代替,这些代替的成员变量在栈帧或寄存器上分配空间,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:+EliminateAllocationsJDK7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。

栈上分配示例:

/**
 * 栈上分配,标量替换
 * 代码调用了1亿次alloc(),如果是分配到堆上,大概需要1GB以上堆空间,如果堆空间小于该值,必然会触发GC。
 * 
 * 使用如下参数不会发生GC
 * -Xmx15m -Xms15m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:+EliminateAllocations
 * 使用如下参数都会发生大量GC
 * -Xmx15m -Xms15m -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:+EliminateAllocations
 * -Xmx15m -Xms15m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:-EliminateAllocations
 */
public class AllotOnStack {

    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
            alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end - start);
    }

    private static void alloc() {
        User user = new User();
    }
    
    static class User{
    }
}

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 GCFull GC 的不同之处:

  • 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。

大量的对象被分配在eden区,eden区满了后会触发minor gc,可能会有99%以上的对象成为垃圾被回收掉,剩余存活的对象会被挪到为空的那块survivor区(Eden与Survivor区默认8:1:1),下一次eden区满了后又会触发minor gc,把eden区和survivor区垃圾对象回收,把剩余存活的对象一次性挪动到另外一块为空的survivor区,因为新生代的对象都是朝生夕死的,存活时间很短,所以JVM默认的8:1:1的比例是很合适的,**让eden区尽量的大,survivor区够用即可,**JVM默认有这个参数-XX:+UseAdaptiveSizePolicy(默认开启),会导致这个8:1:1比例自动变化,如果不想这个比例有变化可以设置参数-XX:-UseAdaptiveSizePolicy

/**
 * 测试GC -XX:+PrintGCDetails -Xmx256m -Xms256m
 *
 * @author Zijian Liao
 * @since 1.0
 */
public class GCTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4, allocation5, allocation6;
        allocation1 = new byte[60000 * 1024];

        allocation2 = new byte[8000 * 1024];

        allocation3 = new byte[1000 * 1024];
        allocation4 = new byte[1000 * 1024];
        allocation5 = new byte[1000 * 1024];
        allocation6 = new byte[1000 * 1024];
    }
}

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SerialParNew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。

一般来说我们的大对象都是些长期存活的对象,这样做就可以直接让大对象进入老年代,避免大对象在Eden区反复经历minor gc,导致在两个Survivor区互相转移,影响分配内存时的复制操作而降低gc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Minor GC,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。

对象动态年龄判断机制

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。

老年代担保机制

  1. 年轻代每次minor gc之前JVM都会计算下老年代剩余可用空间

  2. 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),就会判断是否有设置参数-XX:-HandlePromotionFailure(jdk1.8默认设置)

  3. 如果有这个参数,则继续判断老年代的剩余内存大小,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

  4. 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(否则触发的是 monor 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

  5. 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 gcfull 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

对象内存回收

堆中几乎放着所有的对象实例,对堆垃圾回收前的第一步就是要判断哪些对象已经死亡(即不能再被任何途径使用的对象)。

引用计数法

给对象中添加一个引用计数器,每当有一个地方引用它,计数器就加1;当引用失效,计数器就减1;任何时候计数器为0的对象就是不可能再被使用的。

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。 所谓对象之间的相互引用问题,如下面代码所示:除了对象objA 和 objB 相互引用着对方之外,这两个对象之间再无任何引用。但是他们因为互相引用对方,导致它们的引用计数器都不为0,于是引用计数算法无法通知 GC 回收器回收他们。

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;
   }
}

可达性分析算法

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

GC Roots根节点:线程栈的本地变量、静态变量、本地方法栈的变量等等

可达性分析算法.jpeg

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

  • 强引用:普通变量的引用

    public static User user = new User();
    
  • 软引用:将对象用SoftReference软引用类型的对象包裹,正常情况不会被回收,但是GC做完后发现释放不出空间存放新的对象,则会把这些软引用的对象回收掉。软引用可用来实现内存敏感的高速缓存。

public static SoftReference<User> user = new SoftReference<User>(new User());
  • 弱引用

    public static WeakReference<User> user = new WeakReference<User>(new User());
    

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。

标记的前提是对象在进行可达性分析后发现没有与GC Roots相连接的引用链。

JVM内部维护了一个重写了finalize()方法的对象集合,在标记时JVM会判断次此对象是否在该集合中,如果在集合中的话,在第一次标记时会执行finalize()方法,执行后把该对象从集合中移除(意味着一个对象只会有执行一次finalize()方法的机会),执行完毕后,若该对象与GC Roots有了相连接的引用链,则不会把该对象打上GC标记。所有如果对象要在finalize()中成功拯救自己,只要重新与引用链上的任何的一个对象建立关联即可。

public class OOMTest {
    static List<Object> list = new ArrayList<>();

    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        int j = 0;
        while (true) {
            list.add(new User(i++));
            new User(j--);
        }
    }

    static class User {
        int id;

        public User(int id) {
            this.id = id;
        }

        @Override
        protected void finalize() throws Throwable {
            list.add(this);
            System.err.println("user id =" + id + "的对象执行了finalize的方法自救");
        }
    }
}

如何判断一个类是无用的类

方法区主要回收的是无用的类,那么如何判断一个类是无用的类呢?

类需要同时满足下面3个条件才能算是 “无用的类”

  • 该类所有的对象实例都已经被回收,也就是 Java 堆中不存在该类的任何实例。
  • 加载该类的 ClassLoader 已经被回收。
  • 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方法。
# JVM 

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