Java 虚拟机 | 拿放大镜看对象

2021-01-16  本文已影响0人  彭旭锐

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🔥 Hi，我是丑丑。本文 「Java 路线」导读 —— 他山之石，可以攻玉 已收录，这里有 Android 进阶成长路线笔记 & 博客，欢迎跟着彭丑丑一起成长。（联系方式在 GitHub）

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前置知识

这篇文章的内容会涉及以下前置 / 相关知识，贴心的我都帮你准备好了，请享用~

1. 对象的创建过程

在 Java 中创建对象的一般方式是使用 new 关键字，编译后会生成以 new 字节码指令开始的多条指令，例如：

源代码：
String str = new String();
字节码：
0 new #26 <java/lang/String>
3 dup
4 invokespecial #27 <java/lang/String.<init>>
7 astore_0

—— 图片引用自网络

提示： 这里讨论的对象是指一般的对象，即使用 new 创建的对象。

1.1 检查加载

根据常量池索引#26找到类的符号引用<java/lang/String>，并且检查类是否被类加载器加载过，如果没有需要先执行类加载过程（加载 & 解析 & 初始化）。

1.2 分配内存

1.2.1 分配方式

Java 对象需要一块连续的堆内存空间，分配方式有 指针碰撞 & 空闲列表。指针碰撞法要求 Java 堆是绝对规整的，而空闲列表法不要求 Java 堆是绝对规整的。

所有已分配内存压缩到堆的一端，剩下一端为空闲的内存，两块区域使用一个 分配指针 作为分界指示器。当需要分配对象内存时，只需要把指针向挪动与对象大小相等的距离，将该区域划分给对象。

虚拟机会维护一个列表记录哪些内存时空闲的。当需要对象内存时，需要遍历空闲列表找到一块足够大的空间划分给对象。

1.2.2 并发安全

由于 Java 堆是线程共享的，而创建对象（分配内存）的行为在虚拟机中是非常频繁的，那么就需要考虑多线程并发分配内存的问题，解决方法有：CAS 操作 & 分配缓冲：

通过虚拟机参数-XX+UseTLAB来控制是否启用 TLAB 功能。

提示： TLAB 中的中的对象空间依然是所有线程共享的，只是其他线程无法在这个区域分配对象。

1.3 初始化零值

将实例数据的值初始化为零值（例如 int 为 0 ，boolean 为 false，引用类型为 null）。

1.4 设置对象头

设置对象头信息，包括 Mark Work & 类型指针 & 数组长度。

1.5 执行 <init> 构造函数

执行 <init> 构造函数，<init> 由编译器生成，包括成员变量初始值、实例代码块和对象构造函数。

2. 对象的内存布局

对象的内存布局主要包含 3 个区域：对象头 & 实例数据 & 对齐填充。其中对象头主要包含 Mark Work 标志位，如果采用「直接指针」的对象访问，那么对象头里还包含类型指针。如果是数组对象，那么对象头还包含数组的长度。实例数据区存储了「本类声明的实例字段」和「从父类继承的实例字段」（类字段存储在方法区）。

2.1 对象头（Header）

对象头包含 Mark Work & 类型指针 & 数组长度。

2.1.1 Mark Work

由于对象头里的信息是与对象实例数据无关的额外存储成本，Mark Word 被设计为一个有状态的数据结构，可以根据对象的状态 复用。

2.1.2 类型指针（Class Pointer）

-XX:+UseCompressedClassPointers -XX:+UseCompressedOops

2.1.3 数组长度

源码：
char [] str = new char[2];
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(str).toPrintable());

------------------------------------------------------
JOL：
[C object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION        VALUE
      0     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)    41 00 00 f8 (01000001 00000000 00000000 11111000) (-134217663)
     12     4        (object header)    【数组长度：2】02 00 00 00 (00000010 00000000 00000000 00000000) (2)
     16     4   char [C.<elements>     N/A
     20     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 24 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

可以看到，对象头中有一块 4 字节的区域，值为2，表示该数组长度为 2。

2.2 实例数据（Instance Data）

实例数据是对象的有效信息，可以理解为报文段中的 payload。对象的实例数据包括：

但不包括类级字段（存储在方法区）。

2.3 对齐填充（Padding）

HotSpot 虚拟机对象的大小必须按 8 字节对齐，如果对象占用空间不是 8 字节的倍数，则需要增加对齐填充数据。直观来看，“无效” 的填充数据使得对象占用空间加大，增大了虚拟机的内存消耗。那么为什么要这么做呢？ Editting...

2.4 实验

JOL（Java Object Layout）是 OpenJDK 提供的用于分析对象内存布局的工具，地址：JOL。主要的局限性是只支持 HotSpot / OpenJDK 虚拟机，如果在其他虚拟机上使用会报错：

java.lang.IllegalStateException: Only HotSpot/OpenJDK VMs are supported

现在，我们使用JOL分析 new Object() 在 HotSpot 虚拟机上的内存布局：

步骤一：添加依赖
implementation 'org.openjdk.jol:jol-core:0.11'

步骤二：创建对象
Object obj = new Object();

步骤三：打印对象内存布局

1. 输出虚拟机与对象内存布局相关的信息
System.out.println(VM.current().details());
2. 输出对象内存布局信息
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());

输出结果如下：

# Running 64-bit HotSpot VM.
# Using compressed oop with 3-bit shift.
# Using compressed klass with 3-bit shift.
# Objects are 8 bytes aligned.
# Field sizes by type: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]
# Array element sizes: 4, 1, 1, 2, 2, 4, 4, 8, 8 [bytes]

java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION        VALUE
      0     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)    e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total

其中关于虚拟机的信息：

HotspotUnsafe.java

public String details() {
    // ...
    out.printf("# %-19s: %d, %d, %d, %d, %d, %d, %d, %d, %d [bytes]%n",
                "Field sizes by type",
                oopSize,
                sizes.booleanSize,
                sizes.byteSize,
                sizes.charSize,
                sizes.shortSize,
                sizes.intSize,
                sizes.floatSize,
                sizes.longSize,
                sizes.doubleSize
        );
}

3. 对象的访问定位

我们都知道 Java 的类型可以分为基础数据类型与引用类型（Reference）。对于引用类型变量，在虚拟机栈上存储的只是 Reference，而对象真正的实例数据是存储在堆上。通过 Reference 访问对象实例数据的方式分为分为 句柄访问 & 直接指针访问：

3.1 句柄访问

在 Java 堆中单独划分一块区域作为句柄池，Reference 中存储是对象的句柄。句柄中存储的是对象实例数据与类型数据的地址。

句柄访问的优点是句柄中对象实例数据和类型数据的地址是稳定的，当对象在垃圾收集是被移动时，只需要修改实例数据的指针，而 Reference 本身不需要修改。

引用自《深入理解Java虚拟机（第3版本）》—— 周志明 著

3.2 直接指针访问

Reference 中存储的是指向对象的地址，对象内存中有一块是实例数据，另外有一个指针指向类型数据，这个指针就是 第 2.1.2 节 中的类型指针（Class Pointer）

直接指针访问的优点是速度更快，因为节省了一次指针的访问。由于在 Java 虚拟机中对象访问的频率非常高，所以直接指针访问的优势更明显。

引用自《深入理解Java虚拟机（第3版本）》—— 周志明 著

4. 对象的存活判断

判断对象是否为垃圾对象的方法可以分为两种：引用计数 & 可达性分析。

4.1 引用计数算法（Reference Counting）

引用计数法在创建对象时额外分配一个引用计数器，用于记录指向该对象的引用个数。如果有一个新的引用指向该对象，则计数器加 1；当一个引用不再指向该对象，则计数器减 1 。当计数器的值为 0 时，则该对象为垃圾对象。

1、及时性：当对象变成垃圾后，程序可以立刻感知，马上回收；而在可达性分析算法中，直到执行 GC 才能感知；
2、最大暂停时间短：GC 可与应用交替运行。

1、计数器值更新频繁：大多数情况下，对象的引用状态会频繁更新，更新计数器值的任务会变得繁重；
2、堆利用率降低：计数器至少占用 32 位空间（取决于机器位数），导致堆的利用率降低；
3、实现复杂；
4、（致命缺陷）无法回收循环引用对象。

易错： 引用计数法是算法简单，实现较难。

4.2 可达性分析算法（Reachability Analysis）

从 GC 根节点（GC Root）为起点，根据引用关系形成引用链。当一个对象存在到 GC Root 的引用链，则为存活对象，否则为垃圾对象。在 Java 中，GC Root 主要包括：

1、Java 虚拟机栈帧中的本地变量表
2、本地方法栈中引用的对象
3、方法区类静态变量引用的对象
4、方法区常量池中引用的对象
5、同步锁（synchronized 关键字）持有的对象

1、可回收循环引用对象；
2、实现简单。

1、最大停顿时间长：在 GC 期间，整个应用停顿（stop-the-world，STW）；
2、回收不及时：只有执行 GC 才能感知垃圾对象；

4.3 小结

判定方法 优点 缺点
引用计数 1、及时性
2、最大暂停时间短		 1、计数器值更新频繁
2、堆利用率降低
3、实现复杂
4、无法回收循环引用对象
可达性分析 1、可回收循环引用对象
2、实现简单		 1、最大停顿时间长
2、回收不及时

由于引用计数式 GC 存在「无法回收循环引用对象」 的致命缺陷，工业实现上还是追踪式 GC 占据了主流，后面我主要介绍的也是追踪式 GC。

5. 对象的引用类型

不同引用类型的作用不尽相同，这一点很多文章没有明确指出。软引用 & 弱引用提供了更加灵活地控制对象生存期的能力，而虚引用提供了感知对象垃圾回收的能力。 除了虚引用之外，Object#finalize() 也提供了感知对象被垃圾回收的能力。

引用类型 Class 作用 对象 GC 时机（不考虑 GC 策略）
强引用 无 / GC Root 可达就不会回收
软引用 SoftReference 灵活控制生存期 空闲内存不足以分配新对象时
弱引用 WeakReference 灵活控制生存期 每次GC
虚引用 PhantomReference 感知对象垃圾回收 每次GC

提示： 对象是否被 GC，不仅仅取决于引用类型，还取决于当次 GC 采用的策略。

6. 对象的分配策略

6.1 对象的分配区域

几乎所有对象都分配在 Java 堆，除此之外还可以分配在：

6.2 逃逸分析

逃逸分析（Escape Analysis）是分析对象的引用是否逃逸到当前栈帧或者其它线程，如果一个对象不会逃逸，则可以直接在栈上分配，而不是分配在 Java 堆。当对象在栈上分配时，当前方法结束之后对象的生命周期也结束了，不需要参与垃圾回收，可以提高虚拟机的执行效率。

通过JVM参数可指定是否开启逃逸分析：-XX:+DoEscapeAnalysis

6.3 对象的分配原则

大多数情况下，新生对象在 Eden 区分配，当 Eden 区没有足够空间时，虚拟机发起一次 Minor GC。

大对象占用内容较多，如果分配在 Eden 区的话，容易提前发生垃圾回收，同时 GC 的时候也会大量复制内存，所以大对象直接在 Tenured 区分配。

在对象头中有一个字段标记对象的年龄，如果对象经过一次 Minor GC 之后依然存活，并且 Survivor 区能够容纳的话，那么对象会被复制到 Survivor 区，并且对象的年龄加 1。当对象的年龄增加到一定程度时，就是晋升到 Tenured 区。

参考资料

创作不易，你的「三连」是丑丑最大的动力，我们下次见！

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