第二章 JVM内存分配

注意：本篇博客，主要参考自以下四本书

《分布式Java应用：基础与实践》

《深入理解Java虚拟机（第二版）》

《突破程序员基本功的16课》

《实战java虚拟机》

说明：关于JVM内存结构，查看《第一章 JVM内存结构》，下面所讲的JVM内存分配主要是指在Hotspot JVM下新建对象在堆内存中分配的情况。

1、创建一个真正对象的基本过程

六步：

• 1. 类加载机制检查
  • JVM首先检查一个new指令的参数是否能在常量池中定位到一个符号引用，并且检查该符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过（实际上就是在检查new的对象所属的类是否已经执行过类加载机制）。如果没有，先进行类加载机制加载类。关于类加载机制，之后再说。
• 2. 分配内存
  • 把一块儿确定大小的内存从Java堆中划分出来
• 3. 初始化对象
  • 初始化零值（操作实例数据部分--对象内存布局三部分之一）
    • 对象的实例字段不需要赋初始值也可以直接使用其默认零值，就是这里起得作用
    • 每一种类型的对象都有不同的默认零值
  • 设置对象头（操作对象头部分--对象内存布局三部分之一）
    • 参看对象内存布局《附 Java对象内存布局》
  • 执行<init>
    • 为对象的字段赋值（在第三步只是初始化了零值，这里会根据所写程序给实例赋值）
• 4.将创建的对象指向分配的内存

注意：第三步和第四步可能发生指令重排序，这也是单例模式使用 volatile 修饰对象的原因。

2、内存分配概念

• 在类加载完成后，一个对象所需的内存大小就可以完全确定了，具体的情况查看对象的内存布局。
• 为对象分配空间，即把一块儿确定大小（上述确定下来的对象内存大小）的内存从Java堆中划分出来

3、内存分配两种方式

• 指针碰撞
  • 适用场合：堆内存规整（即没有内存碎片）的情况下
  • 原理：用过的内存全部整合到一边，没有用过的内存放在另一边，中间有一个分界值指针，只需要向着没用过的内存方向将该指针移动对象内存大小位置即可
  • GC收集器：Serial、ParNew
• 空闲列表
  • 适用场合：堆内存不规整的情况下
  • 原理：虚拟机会维护一个列表，该列表中会记录哪些内存块是可用的，在分配的时候，找一块儿足够大的内存块儿来划分给对象实例（这一块儿可以类比memcached的slab模型），最后更新列表记录。关于memcached slab内存模型介绍查看《第六章 memcached剖析》
  • GC收集器：CMS
• 注意
  • 选择以上两种方式中的哪一种，取决于Java堆内存是否规整
  • Java堆内存是否规整，取决于GC收集器的算法是"标记-清除"，还是"标记-整理"（也称作"标记-压缩"），值得注意的是，复制算法内存也是规整的

4、内存分配并发问题

堆内存是各个线程的共享区域，所以在操作堆内存的时候，需要处理并发问题。处理的方式有两种：

• CAS+失败重试
  • 具体的做法与AtomicInteger的getAndSet(int newValue)方法的实现方式类似，关于AtomicInteger的源码解析，查看《第十一章 AtomicInteger源码解析》
• TLAB（Thread Local Allocation Buffer）

• 原理：为每一个线程预先在Eden区分配一块儿内存，JVM在给线程中的对象分配内存时，首先在TLAB分配，当对象大于TLAB中的剩余内存或TLAB的内存已用尽时，再采用上述的CAS进行内存分配
• -XX:+/-UseTLAB：是否使用TLAB
• -XX:TLABWasteTargetPercent设置TLAB可占用的Eden区的比率，默认为1%
• JVM会根据以下三个条件来给每个线程分配合适大小的TLAB
  • -XX:TLABWasteTargetPercent
  • 线程数量
  • 线程是否频繁分配对象
• -XX:PrintTLAB：查看TLAB的使用情况

5、总结

• 尽量少创建对象
  • 根据第一块儿所说，创建一个对象的过程比较复杂，耗时较多，所以尽量减少对象的创建
  • 对象创建的少，将来垃圾收集器收集的垃圾也就少，提高效率
  • 对象创建的少，占用内存也就少，那么剩余的系统内存也就相对多，系统运行也就快
  • 避免在经常使用的方法中或循环中创建对象
• 多个小的对象比大对象分配起来更加高效
  • 这是根据TLAB得出来的，多个小对象可以并行在各自的TLAB分配内存，而大对象的话，可能只能通过CAS同步来分配内存
• 衡量上述两点
• 对于String
  • 尽量使用直接量：eg. String str = "hello";//常量会直接存在"常量池"，而非String str = new String("hello");//除了将"hello"存在"常量池"之外，还会创建一个char[]
  • 不要使用String去拼接字符串，会形成许多临时字符串：如下，

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

    实际上，我们只想要字符串s1+s2+s3，但是在上述的拼接过程中，会形成s1+s2的临时字符串。拼接字符串，使用StringBuilder，该类相较于StringBuffer由于不是同步类，其运行效果会更好。

  • 尽早释放无用对象的引用（帮助垃圾回收）

        public void info(){
            Object obj = new Object();
            System.out.println(obj.hashCode());
            obj = null;//显式释放无用对象
        }

    如上边方法所示，其中的obj是一个局部变量，在方法执行结束后，栈帧就会出栈并被回收，栈帧中所存储的局部变量一起被回收掉了，所以这里的"obj=null;"就没用了，但是看下边

        public void info(){
            Object obj = new Object();
            System.out.println(obj.hashCode());
            obj = null;//显式释放无用对象
            //下边还有一些很耗时、很耗内存的操作，这些操作与obj无关
        }

    这时候，如果我们加上了"obj=null;"这一句，那么就有可能在方法执行结束之前，obj被回收。

  • 尽量少使用static变量，因为static变量属于类变量，存储于方法区，其所占内存无法被垃圾回收器回收掉，除非static所属的类被卸载掉。
• 常用的对象放入缓存或连接池（其实，连接池也可以看做是一个缓存）
• 考虑使用SoftReference（关于几种引用方式，之后会说）
  • 当内存足够时，功能等同于普通变量
  • 当内存不足时，释放软引用所引用的对象
  • 一般用于大数组、大对象
  • 通过软引用所获取的对象可能为null（当内存不足时，释放软引用所引用的对象），在应用程序中需要显示判断对象是否为null，若为null，需要重建对象