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JVM对象创建与内存分配机制

news 2025/9/10 20:02:05

JVM对象创建与内存分配机制

- JVM对象创建与内存分配机制
- - 对象的创建过程
  - 内存分配
  - - 对象栈上分配
    - - 对象逃逸分析
      - 标量替换
    - 对象在Eden区分配
    - 大对象直接进入老年代
    - 长期存活的对象将进入老年代
    - 对象年龄动态判断
    - 老年代空间分配担保机制
  - 对象头与指针压缩
  - - 对象头
    - 利用jol查看对象头信息
    - 指针压缩
  - 对象内存回收机制
  - - 引用计数法
    - 可达性分析算法
    - 常见的引用类型
    - finalyze()方法最终判定对象是否存活
    - 如何判断一个类是无用的类

对象的创建过程

在这里插入图片描述

类加载检查

虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检査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，并且检査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。
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。
1. 如何分配内存
2. 在并发情况下，可能出现正在给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堆中的内存是绝对规整的，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，那所分配的内存就仅仅是把那个指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离。

“空闲列表”(Free List)
在这里插入图片描述

如果java堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空间的内存相互交错，那就没有办法简单的进行指针碰撞了，虚拟机必须维护一个列表，记录上那些内存块是可用的，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。

解决并发的方法

虚拟机采用CAS配上失败重试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(java会默认开启-XX: +useTLAB),-XX: TLABSize 指定TLAB大小。

初始化

对成员变量，静态变量设置默认值，如int 设置为0
设置对象头

初始化零值之后，虚拟机要对对象进行必要设置，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。
执行init方法

执行属性赋值和执行构造方法,这里才是真正的给成员变量或者静态变量赋值

内存分配

对象内存分配流程图

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。

就是方法作用域内对象可以在栈上分配

//该User对象就是在方法作用域里面，该方法执行完成后，也就是栈pop后，user对象即被GC，所以该user对象可以在栈上分配内存
public void test(){User user = new User();user.setId(1);user.setName("zhangsan");insertUser(user);
}

JVM对于逃逸分析不会被外部方法引用的对象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(-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:+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。

/*** 栈上分配,标量替换* 调用一亿次alloc（），如果分配到堆上，则大概需要1GB空间，如果堆空间小于该值，必然触发GC* 使用如下参数不会发生GC* -Xmx15m -Xms15m -XX:+PrintGC -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateAllocations* 使用如下参数会发生大量GC* -Xmx15m -Xms15m -XX:+PrintGC -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateAllocations* @param args*/public static void main(String[] args) {long start = System.currentTimeMillis();for(int i= 0;i< 100000000;i++){alloc();}System.out.println("分配1亿对象耗时："+(System.currentTimeMillis()-start)+"毫秒");}private static void alloc() {User user = new User();user.setId(1);user.setName("zhangsan");}//使用 -Xmx15m -Xms15m -XX:+PrintGC -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateAllocations
//开启逃逸分析，标量替换，会在栈上内存中分配对象，不会发生GC
分配1亿对象耗时：7毫秒
//使用 -Xmx15m -Xms15m -XX:+PrintGC -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateAllocations 关闭逃逸分析，由于堆内存只有15M，而在堆上分配对象，会发生大量GC
....
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0004000 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0002670 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0004786 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0003552 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0002913 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0003908 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0002833 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0002612 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0002718 secs]
分配1亿对象耗时：570毫秒//使用 -Xmx15m -Xms15m -XX:+PrintGC -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:-EliminateAllocations 关闭逃逸分析，由于堆内存只有15M，而在堆上分配对象，会发生大量GC
....
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0004000 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0002670 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0004786 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0003552 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0002913 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0003908 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0002833 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0002612 secs]
[GC (Allocation Failure)  4964K->868K(15872K), 0.0002718 secs]
分配1亿对象耗时：604毫秒

对象在Eden区分配

大多数情况下，对象在eden中分配，当eden区没有足够的空间进行分配时，虚拟机将发起一次minor gc。

minor gc: 指发生新生代的垃圾收集动作，Minor gc非常频繁，回收速度一般也比较快。
full gc: 一般回收老年代，年轻代，方法区的垃圾，Major GC的速度一般比minor gc慢10倍以上。可能会发生STW（STOP THE WORLD）

eden和survivor区默认大小比例是8:1:1

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sunivor区,下一次eden区满了后又会触发minor gc，把eden区和sunvivor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sunivor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:-UseAdantiveSizePolicy

添加 -XX:+PrintGCDetails 参数，查看GC日志public static void main(String[] args) {byte[] allocation1 = new byte[60000 * 1024];
}HeapPSYoungGen  total 152576K, used 70486K [0x0000000716300000, 0x0000000720d00000, 0x00000007c0000000) //新生代，总大小eden space 131072K, 53% used [0x0000000716300000,0x000000071a7d58c8,0x000000071e300000) //eden区from space 21504K, 0% used [0x000000071f800000,0x000000071f800000,0x0000000720d00000)  //s1区to   space 21504K, 0% used [0x000000071e300000,0x000000071e300000,0x000000071f800000) // s2区ParOldGen       total 348160K, used 0K [0x00000005c2800000, 0x00000005d7c00000, 0x0000000716300000) //老年代，使用0object space 348160K, 0% used [0x00000005c2800000,0x00000005c2800000,0x00000005d7c00000)Metaspace       used 3297K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K //元空间，方法区class space    used 359K, capacity 388K, committed 512K, reserved 1048576K //

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两个垃圾收集器下有效。
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

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。

对象年龄动态判断

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。

更年轻的对象大小总和已经超过容量的50%，那么更老的对象直接放入老年代。

垃圾对象要避免流入到老年代中。

老年代空间分配担保机制

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(JDK8默认设置) 是否设置

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，我那么就会触发一次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那动到老年代的对象大小还是大于老年代可空间，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”

在这里插入图片描述

如果没有-XX: -HandlePromotionFailure担保机制，则会直接进入full gc，有了这个机制后，可以避免一次full gc，只用minor gc。

-XX: -HandlePromotionFailure担保的是老年代剩余空间应该满足minor gc后进入老年代的对象的历史平均大小

对象头与指针压缩

对象头

在这里插入图片描述

利用jol查看对象头信息

引入

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

	public static void main(String[] args) {Object o = new Object();ClassLayout classLayout = ClassLayout.parseInstance(o);System.out.println(classLayout.toPrintable());System.out.println();//加入锁synchronized (o){System.out.println(classLayout.toPrintable());}System.out.println();ClassLayout classLayout1 = ClassLayout.parseInstance(new int[]{});System.out.println(classLayout1.toPrintable());System.out.println();ClassLayout classLayout2 = ClassLayout.parseInstance(new A());System.out.println(classLayout2.toPrintable());}java.lang.Object object internals:OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1) //对象头前4个字节,4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) //对象头后4个字节8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243) //Klass Pointer,占用4个字节，因为开启了指针压缩12     4        (loss due to the next object alignment)  //padding
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total//对象被synchronized锁住后，对象头的变化
java.lang.Object object internals:OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE0     4        (object header)                           f0 f1 1f b4 (11110000 11110001 00011111 10110100) (-1272974864)4     4        (object header)                           85 00 00 00 (10000101 00000000 00000000 00000000) (133)8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)12     4        (loss due to the next object alignment)  //padding
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total[I object internals:OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)8     4        (object header)                           6d 01 00 f8 (01101101 00000001 00000000 11111000) (-134217363)12     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)  //数组长度16     0    int [I.<elements>                             N/A   
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total//new A()
cn.axj.jvm.memory.jol.JolSample$A object internals:OFFSET  SIZE               TYPE DESCRIPTION                               VALUE0     4                    (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)4     4                    (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)8     4                    (object header)                           65 cc 00 f8 (01100101 11001100 00000000 11111000) (-134165403)12     4                int A.age                                     016     1               byte A.b                                       017     3                    (alignment/padding gap)                  //PADDING20     4   java.lang.String A.name                                    null24     4   java.lang.Object A.object                                  null //这里Object对象占4个字节，用了指针压缩28     4                    (loss due to the next object alignment)  //padding补充，由于只能是8的整数倍，所以补充4个字节，总共32个字节
Instance size: 32 bytes
Space losses: 3 bytes internal + 4 bytes external = 7 bytes total   //总共的补充7个字节，内存浪费

指针压缩

jdk1.6 update14开始，在64bit操作系统中，JVM支出指针压缩
JVM配置参数 UseCompressOops, compress 压缩，oop（ordinary object pointer）-- 对象指针
启用指针压缩 -XX: +UseCompressOops(默认开启),禁止指针压缩 -XX: -UseCompressOops,-XX:useCompressClassPointes,默认开启对象头里的类型指针Klass pointer

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，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。服务器内存不是越大越好

对象内存回收机制

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（不能再被任何途径使用的对象）

引用计数法

给对象添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它，计数器加1;当引用失效，计算器减1，任何时候计算器为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，其主要原因就是循环引用的问题。A->B,B->A相互的计数器不会清0

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。在对象头中标记为垃圾对象。

GC ROOTS: 线程栈的本地变量、静态变量、本地方法栈的变量等。

在这里插入图片描述

常见的引用类型

java中的引用类型包括四种：强引用，软引用，弱引用，虚引用

强引用：普通的变量引用

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<>(new User());

软引用在实际中有重要的应用，例如浏览器的后退按钮。按后退时，这个后退时显示的网页内容是重新进行请求还是从缓存中取出呢?这就要看具体的实现策
略了。
(1)如果一个网页在浏览结束时就进行内容的回收，则按后退査看前面浏览过的页面时，需要重新构建
(2)如果将浏览过的网页存储到内存中会造成内存的大量浪费，甚至会造成内存溢出

弱引用：将对象用WeakReference软应用类型包裹，弱引用跟没引用差不多，会被GC直接回收，很少用。

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

虚引用：虚引用也称为幽灵引用，它是最弱的一种引用关系，几乎不用,也会被GC直接回收

finalyze()方法最终判定对象是否存活

即使可达性分析算法算出来对象是没有引用的，也不是马上回收的，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的过程。

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

第一次标记并进行一次筛选

筛选的条件是此对象是否有必要进行finalyze()方法

当对象没有覆盖finalyze()方法，对象将直接回收
第二次标记

如果这个对象覆盖了finalize方法，finalize方法是对象脱逃死亡命运的最后一次机会，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，譬如把自己赋值给某个类变量或对象的成员变量，那在第二次标记时它将移除出"即将回收"的集合。如果对象这时候还没逃脱，那基本上它就真的被回收了。

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

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，如何判断？

类需要同时满足3个条件才能算是无用的类

该类所有的实例都已经被回收，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。（也就是说元空间基本回收不了多少内存，因为大多数都是通过appClassLoader加载，appClassLoader不会被回收。只有自定义类加载器才会被回收）
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。