JVM（三）堆与对象

一、堆的结构

堆内存结构

JVM中，堆被划分成两块区域：年轻代（young）：老年代（old）= 1：2；年轻代又可以划分为Eden（伊甸园）：From Survivor（幸存者）：To Survivor （幸存者）= 8：1：1；以上比例都是默认比例，可以通过参数进行修改。

为什么要分代？根本原因是为了优化GC性能。在java程序运行过程中，大部分对象都是临时对象。
不分代，GC时需要对heap的所有区域扫描，比较消耗性能；
分代，GC时常规情况下只处理年轻代，就可以回收大量空间，满足程序运行需要；特殊情况下再处理老年代。从而优化GC运行效率。

二、对象的分配

对象分配过程

1、根据逃逸分析，判断是否可以在栈中分配

逃逸：一个对象如果被外部其他类调用，或做用于属性中，此种现象为对象逃逸。

• 对象被赋值给堆中对象的字段和类的静态变量。
• 对象被传进了不确定的代码中去运行。

非逃逸：一个对象的作用域仅限于方法内部，此种现象为非逃逸。
逃逸分析：Hotspot虚拟机可以分析对象的使用范围，从而决定是否在Heap中分配。如某个对象没有逃逸，在虚拟机上可以做如下优化：

（1）锁消除：我们知道同步锁比较消耗性能，由于当前对象只在一个线程中访问，可以取消同步操作。

（2）标量替换：

• 标量是指不可分割的量，如java中基本数据类型和reference类型，相对的一个数据可以继续分解，称为聚合量；
• 如果把一个对象拆散，将其成员变量恢复到基本类型来访问就叫做标量替换；
• 如果对象未发生逃逸，并且该对象可以被拆散，那么经过优化之后，可以不直接生成该对象，而是在栈上创建若干个成员变量；

（3）栈上分配：如果对象未发生逃逸，该对象就可以分配在栈内存中，和方法的生命周期一致，随着栈帧出栈时销毁，从而减少GC运行频率。

2、大对象直接分配到Old

Young一般都不大，如果存储大对象，Young很容易满，导致频繁触发GC。GC后很可能还是会超过Yong的存储，将对象转存到Old区，产生大内存复制。因此直接将大对象分配到Old区，减少上述操作。

3、TLAB判断

TLAB：Thread Local Allocation Buffer，线程本地分配缓存，TLAB在Eden区分配，默认只有Eden的1%，所以大对象无法在TLAB分配。

• 对象一般分配在堆上，堆是线程共享的，因此在申请对象内存时需要同步操作（加锁/CAS等），使分配效率下降。
• 在虚拟机TLAB功能启动的情况下，线程初始化时，虚拟机会为每个线程分配一块TLAB空间，TLAB只有在“分配”这个动作上是线程独占的。
• 需要分配内存的时候，线程可以在TLAB上分配，而不需要处理多线程的情况，提高分配效率。

4、Young、Old、GC

• 经过上述判断后，再判断Young区域。首先判断Eden是否放的下，如果放的下，直接分配；否则触发Minor GC。
• Minor GC会查询Eden和From Survivor区域的对象，将存活的对象放入To Survivor区域，并交换From、To。
• 如果To Survivor放不下这些对象，会将对象转入Old区域。
• 如果Old区域放不下，会触发Major GC/Full GC，回收Old区域的对象。

三、对象数据

1、对象结构

对象结构

在Hotspot虚拟机中，对象在内存中的结构可分为三部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

（1）对象头：

• markword（4字节）：存储hashcode值、GC年龄、锁状态标志、偏向线程ID、偏向时间戳等。
  

  markword不同状态下存储的数据

• klass指针（4字节）：对象所属类的元数据，用于确定该对象的所属类型。

• 数组长度（4字节）：如果对象是一个数组，对象头中还必须有一块数据用于记录数组长度。

（2）实例数据：对象真正存储的数据，包含自有的字段和父类继承的。
（3）数据填充：没有实际意义，起着占位符的作用，当实例数据没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

2、对象的创建方式

• new：new Object();
• 反射：Class.forName("java.lang.Object").newInstance();
• clone：Object.clone();
• 反序列化：ObjectInputStream.readObject();

3、对象的创建过程

（1）查找类元信息
根据new的参数，在常量池中定位到这个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析、初始；如果没有，先执行相应的类加载过程。

（2）内存分配及并发
查找到类元信息后，虚拟机将为新生对象分配内存，对象所需的内存在类被解析加载进入元空间之后就可以计算出来：

• 指针碰撞：如果堆区是规整的，已知对象的内存，只需要更新指针的位置即可。
  

  指针碰撞

• 空闲列表：但是内存一般都是不规整的，这时候就需要维护一个空闲列表；分配对象时，先从空闲列表中寻找合适大小的内存进行分配，再从主内存中撞针分配。
  

  空闲列表

• 并发：由于堆内存可以多线程访问，因此在操作时要保障线程安全，一是使用CAS（compare and swap）操作；二是上文提到的TLAB。

（3）初始化数据
内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间初始化为零值（不包括对象头），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。

（5）执行init
执行<init>方法，为属性赋值、执行构造方法。