第二章 JVM內存分配

注意：本篇博客，主要參考自以下四本書

《分布式Java應用：基礎與實踐》

《深入理解Java虛擬機（第二版）》

《突破程序員基本功的16課》

《實戰java虛擬機》

說明：關於JVM內存結構，查看《第一章 JVM內存結構》，下面所講的JVM內存分配主要是指在Hotspot JVM下新建對象在堆內存中分配的情況。

 

1、創建一個真正對象的基本過程

六步：

• 1. 類加載機制檢查
  • JVM首先檢查一個new指令的參數是否能在常量池中定位到一個符號引用，並且檢查該符號引用代表的類是否已被加載、解析和初始化過（實際上就是在檢查new的對象所屬的類是否已經執行過類加載機制）。如果沒有，先進行類加載機制加載類。關於類加載機制，之后再說。
• 2. 分配內存
  • 把一塊兒確定大小的內存從Java堆中划分出來
• 3. 初始化對象
  • 初始化零值（操作實例數據部分--對象內存布局三部分之一）
    • 對象的實例字段不需要賦初始值也可以直接使用其默認零值，就是這里起得作用
    • 每一種類型的對象都有不同的默認零值
  • 設置對象頭（操作對象頭部分--對象內存布局三部分之一）
    • 參看對象內存布局《附 Java對象內存布局》
  • 執行<init>
    • 為對象的字段賦值（在第三步只是初始化了零值，這里會根據所寫程序給實例賦值）
• 4.將創建的對象指向分配的內存

注意：第三步和第四步可能發生指令重排序，這也是單例模式使用 volatile 修飾對象的原因。

 

2、內存分配概念

• 在類加載完成后，一個對象所需的內存大小就可以完全確定了，具體的情況查看對象的內存布局。
• 為對象分配空間，即把一塊兒確定大小（上述確定下來的對象內存大小）的內存從Java堆中划分出來

 

3、內存分配兩種方式

• 指針碰撞
  • 適用場合：堆內存規整（即沒有內存碎片）的情況下
  • 原理：用過的內存全部整合到一邊，沒有用過的內存放在另一邊，中間有一個分界值指針，只需要向着沒用過的內存方向將該指針移動對象內存大小位置即可
  • GC收集器：Serial、ParNew
• 空閑列表
  • 適用場合：堆內存不規整的情況下
  • 原理：虛擬機會維護一個列表，該列表中會記錄哪些內存塊是可用的，在分配的時候，找一塊兒足夠大的內存塊兒來划分給對象實例（這一塊兒可以類比memcached的slab模型），最后更新列表記錄。關於memcached slab內存模型介紹查看《第六章 memcached剖析》
  • GC收集器：CMS
• 注意
  • 選擇以上兩種方式中的哪一種，取決於Java堆內存是否規整
  • Java堆內存是否規整，取決於GC收集器的算法是"標記-清除"，還是"標記-整理"（也稱作"標記-壓縮"），值得注意的是，復制算法內存也是規整的

 

4、內存分配並發問題

堆內存是各個線程的共享區域，所以在操作堆內存的時候，需要處理並發問題。處理的方式有兩種：

• CAS+失敗重試
  • 具體的做法與AtomicInteger的getAndSet(int newValue)方法的實現方式類似，關於AtomicInteger的源碼解析，查看《第十一章 AtomicInteger源碼解析》
• TLAB（Thread Local Allocation Buffer）

• 原理：為每一個線程預先在Eden區分配一塊兒內存，JVM在給線程中的對象分配內存時，首先在TLAB分配，當對象大於TLAB中的剩余內存或TLAB的內存已用盡時，再采用上述的CAS進行內存分配
• -XX:+/-UseTLAB：是否使用TLAB
• -XX:TLABWasteTargetPercent設置TLAB可占用的Eden區的比率，默認為1%
• JVM會根據以下三個條件來給每個線程分配合適大小的TLAB
  • -XX:TLABWasteTargetPercent
  • 線程數量
  • 線程是否頻繁分配對象
• -XX:PrintTLAB：查看TLAB的使用情況

 

5、總結

• 盡量少創建對象
  • 根據第一塊兒所說，創建一個對象的過程比較復雜，耗時較多，所以盡量減少對象的創建
  • 對象創建的少，將來垃圾收集器收集的垃圾也就少，提高效率
  • 對象創建的少，占用內存也就少，那么剩余的系統內存也就相對多，系統運行也就快
  • 避免在經常使用的方法中或循環中創建對象
• 多個小的對象比大對象分配起來更加高效
  • 這是根據TLAB得出來的，多個小對象可以並行在各自的TLAB分配內存，而大對象的話，可能只能通過CAS同步來分配內存
• 衡量上述兩點
• 對於String
  • 盡量使用直接量：eg. String str = "hello";//常量會直接存在"常量池"，而非String str = new String("hello");//除了將"hello"存在"常量池"之外，還會創建一個char[]
  • 不要使用String去拼接字符串，會形成許多臨時字符串：如下，

        String s1 = "hello1";
        String s2 = "hello2";
        String s3 = "hello3";
        String s4 = s1+s2+s3;

    實際上，我們只想要字符串s1+s2+s3，但是在上述的拼接過程中，會形成s1+s2的臨時字符串。拼接字符串，使用StringBuilder，該類相較於StringBuffer由於不是同步類，其運行效果會更好。

  • 盡早釋放無用對象的引用（幫助垃圾回收）

        public void info(){
            Object obj = new Object();
            System.out.println(obj.hashCode());
            obj = null;//顯式釋放無用對象
        }

    如上邊方法所示，其中的obj是一個局部變量，在方法執行結束后，棧幀就會出棧並被回收，棧幀中所存儲的局部變量一起被回收掉了，所以這里的"obj=null;"就沒用了，但是看下邊

        public void info(){
            Object obj = new Object();
            System.out.println(obj.hashCode());
            obj = null;//顯式釋放無用對象
            //下邊還有一些很耗時、很耗內存的操作，這些操作與obj無關
        }

    這時候，如果我們加上了"obj=null;"這一句，那么就有可能在方法執行結束之前，obj被回收。

  • 盡量少使用static變量，因為static變量屬於類變量，存儲於方法區，其所占內存無法被垃圾回收器回收掉，除非static所屬的類被卸載掉。
• 常用的對象放入緩存或連接池（其實，連接池也可以看做是一個緩存）
• 考慮使用SoftReference（關於幾種引用方式，之后會說）
  • 當內存足夠時，功能等同於普通變量
  • 當內存不足時，釋放軟引用所引用的對象
  • 一般用於大數組、大對象
  • 通過軟引用所獲取的對象可能為null（當內存不足時，釋放軟引用所引用的對象），在應用程序中需要顯示判斷對象是否為null，若為null，需要重建對象