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2021/12/29  阅读:42  主题:雁栖湖

java中对象是怎么创建出来的

笔者把java生态分为多个模块,本篇讲解jvm模块的对象内存分配原理,学习jvm,就必须要知道一个对象是怎么创建出来的。

对象创建的主要流程

我们知道new关键字是用来创建对象的,当程序遇到一个new关键字的时候,会首先判断对象对应的类是否已经被加载,如果没有被加载要先走类加载流程,如果已经加载就会直接走对象创建过程(如上图)

1类加载检查

虚拟机遇到一条new指令时,首先将去检查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,并且检查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。

2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(当然对象也可能在栈上分配,下面会有介绍)。我们知道堆是一个线程共享区域,多线程情况下如何划分内存必然是此时应该慎重考虑的问题。

对象分配内存的方法

jvm提供两种内存分配的策略:指针碰撞空闲列表

  • 指针碰撞

jvm默认使用指针碰撞来进行内存分配。 如果Java堆中内存是绝对规整的,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,那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。

  • 空闲列表

如果Java堆中的内存并不是规整的,已使用的内存和空闲的内存相互交错,那就没有办法简单地进行指针碰撞了,虚拟机就必须维护一个列表,记录上哪些内存块是可用的,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。

多线程下为对象分配内存可能出现的问题

上面两种方法解决了如何在堆上找到足够的空间并进行分配的问题。但是既然堆是线程共享的区域,那么就一定会出现多线程分配内存的问题,比如,可能出现正在给对象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。那么这样的问题如何解决呢?

解决并发问题的方法

  1. CAS(compare and swap)虚拟机采用CAS配上失败重试的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。

  2. 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(JVM会默认开启-XX:+UseTLAB),-XX:TLABSize 指定TLAB大小。

3初始化零值

内存分配完成后,虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值(不包括对象头), 如果使用TLAB,这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一步操作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,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)

  • 对象头:比如 hash码,对象所属的年代,对象锁,锁状态标志,偏向锁(线程)ID,偏向时间,数组长度(数组对象才有)等。

  • 实例数据:存放类的属性数据信息,包括父类的属性信息;对齐填充:由于虚拟机要求 对象起始地址必须是8字节的整数倍。

  • 填充数据不是必须存在的,仅仅是为了字节对齐,关于为什么要对齐填充,因为大部分处理器,对象以8字节整数倍来对齐填充都是最高效的存取方式。

对象头详解:

HotSpot虚拟机的对象头包括:

1.Mark Word 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,这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit,官方称它为“Mark Word”。

2.Klass Pointer对象头的另外一部分是klass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。 32位4字节,64位开启指针压缩或最大堆内存<32g时4字节,否则8字节。jdk1.8默认开启指针压缩后为4字节,当在JVM参数中关闭指针压缩(-XX:-UseCompressedOops)后,长度为8字节。

3.数组长度(只有数组对象有)如果对象是一个数组, 那在对象头中还必须有一块数据用于记录数组长度。 4字节

什么是java对象的指针压缩?

1.jdk1.6 update14开始,在64bit操作系统中,JVM支持指针压缩

2.jvm配置参数:

UseCompressedOops,compressed--压缩

oop(ordinary object pointer)--对象指针

3.jvm默认开启

启用指针压缩:-XX:+UseCompressedOops

禁止指针压缩:-XX:-UseCompressedOops

为什么要进行指针压缩?

1.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,占用较大宽带,同时GC也会承受较大压力

2.为了减少64位平台下内存的消耗,启用指针压缩功能

3.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)

4.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

5.堆内存大于32G时,压缩指针会失效,会强制使用64位(即8字节)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

对象大小计算

  1. 在32位系统下,存放Class指针的空间大小是4字节,MarkWord是4字节,对象头为8字节。

  2. 在64位系统下,存放Class指针的空间大小是8字节,MarkWord是8字节,对象头为16字节。

  3. 64位开启指针压缩的情况下,存放Class指针的空间大小是4字节,MarkWord是8字节,对象头为12字节。 数组长度4字节+数组对象头8字节(对象引用4字节(未开启指针压缩的64位为8字节)+数组markword为4字节(64位未开启指针压缩的为8字节))+对齐4=16字节。

  4. 静态属性不算在对象大小内。

使用JOL工具查看内存布局给大家推荐一个可以查看普通java对象的内部布局工具JOL(JAVA OBJECT LAYOUT),使用此工具可以查看new出来的一个java对象的内部布局,以及一个普通的java对象占用多少字节。

查看Java 对象布局、大小工具

//引入maven依赖
<dependency>
  <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
  <artifactId>jol‐core</artifactId>
  <version>0.10</version>
</dependency>


//使用方法
System.out.println(ClassLayout.parseInstance(obj).toPrintable());
import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

/**
 * 计算对象大小
 */
public class JOLSample {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(new Object());
        System.out.println(layout.toPrintable());

        System.out.println();
        ClassLayout layout1 = ClassLayout.parseInstance(new int[]{});
        System.out.println(layout1.toPrintable());

        System.out.println();
        ClassLayout layout2 = ClassLayout.parseInstance(new A());
        System.out.println(layout2.toPrintable());
    }

    // -XX:+UseCompressedOops           默认开启的压缩所有指针
    // -XX:+UseCompressedClassPointers  默认开启的压缩对象头里的类型指针Klass Pointer
    // Oops : Ordinary Object Pointers
    public static class A {
                       //8B mark word
                       //4B Klass Pointer   如果关闭压缩-XX:-UseCompressedClassPointers或-XX:-UseCompressedOops,则占用8B
        int id;        //4B
        String name;   //4B  如果关闭压缩-XX:-UseCompressedOops,则占用8B
        byte b;        //1B 
        Object o;      //4B  如果关闭压缩-XX:-UseCompressedOops,则占用8B
    }
}


运行结果:
java.lang.Object object internals:
 OFFSET  SIZE   TYPE DESCRIPTION                               VALUE
      0     4        (object header)                           01 00 00 00 (00000001 00000000 00000000 00000000) (1)    //mark word
      4     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)    //mark word     
      8     4        (object header)                           e5 01 00 f8 (11100101 00000001 00000000 11111000) (-134217243)    //Klass Pointer
     12     4        (loss due to the next object alignment)
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total


[I 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)                           6d 01 00 f8 (01101101 00000001 00000000 11111000) (-134217363)
     12     4        (object header)                           00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0)
     16     0    int [I.<elements>                             N/A
Instance size: 16 bytes
Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total


com.tuling.jvm.JOLSample$A 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)                           61 cc 00 f8 (01100001 11001100 00000000 11111000) (-134165407)
     12     4                int A.id                                      0
     16     1               byte A.b                                       0
     17     3                    (alignment/padding gap)                  
     20     4   java.lang.String A.name                                    null
     24     4   java.lang.Object A.o                                       null
     28     4                    (loss due to the next object alignment)
Instance size: 32 bytes

关于对象头,java的synchronized要依赖MarkWord内部的变化实现,后面会在synchronized章节具体介绍。

5执行init方法

执行init方法,即对象按照程序员的意愿进行初始化。对应到语言层面上讲,就是为属性赋值(注意,这与上面的赋零值不同,这是由程序员赋的值),和执行构造方法。

6对象内存分配具体过程

对象内存分配流程图

上面我们知道一个对象生成会经历的阶段,其中对象内存分配这个阶段会有两种情况,上面我们只说了对象在堆上面分配的jvm采用的方法。 实际上对象也有可能在栈上分配,接下来就介绍下具体的分配过程。

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。

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。对象逃逸分析可以判断出对象是否逃逸出当前方法,如果没有逃逸出当前方法,并且对象可以被进一步分解时就可以通过标量替换的方式使其优先分配在栈上。

标量替换

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。

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。

开启逃逸分析参数(-XX:+DoEscapeAnalysis) 关闭逃逸分析参数(-XX:-DoEscapeAnalysis) 开启标量替换参数(-XX:+EliminateAllocations) JDK7之后默认开启逃逸分析和标量替换。

  public User test1() {
   User user = new User();
   user.setId(1);
   user.setName("zhuge");
   //TODO 保存到数据库
   return user;
}

public void test2() {
   User user = new User();
   user.setId(1);
   user.setName("zhuge");
   //TODO 保存到数据库

很显然test1方法中的user对象被返回了,这个对象的作用域范围不确定,test2方法中的user对象我们可以确定当方法结束这个对象就可以认为是无效对象了,对于这样的对象我们其实可以将其分配在栈内存里,让其在方法结束时跟随栈内存一起被回收掉。

栈上分配示例:

/**
 * 栈上分配,标量替换
 * 代码调用了1亿次alloc(),如果是分配到堆上,大概需要1GB以上堆空间,如果堆空间小于该值,必然会触发GC。
 * 
 * 使用如下参数不会发生GC
 * -Xmx15m -Xms15m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:+EliminateAllocations
 * 使用如下参数都会发生大量GC
 * -Xmx15m -Xms15m -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:+EliminateAllocations
 * -Xmx15m -Xms15m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:-EliminateAllocations
 */
public class AllotOnStack {

    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
            alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(end - start);
    }

    private static void alloc() {
        User user = new User();
        user.setId(1);
        user.setName("zhuge");
    }
 

结论:栈上分配依赖于逃逸分析和标量替换

对象在堆上分配

我们上面只说对象在堆上分配的方法,但是我们知道堆的结构一般情况下会新生代和老年代,新生代又会分为伊甸园区和两个幸存者区,新生代和老年代的比例是1:2,伊甸园区和两个幸存者区比例默认8:1:1,那么具体是如何分配呢?

大多数情况下,对象在新生代中伊甸园区分配。当伊甸园区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次Minor GC。我们来进行实际测试一下,在测试之前我们先来看看 Minor GC和Full GC 有什么不同呢?

  • Minor GC/Young GC:指发生新生代的的垃圾收集动作,Minor GC非常频繁,回收速度一般也比较快。

  • Major GC/Full GC:一般会回收老年代 ,年轻代,方法区的垃圾,Major GC的速度一般会比Minor GC的慢10倍以上。

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survivor区,下一次eden区满了后又会触发minor gc,把eden区和survivor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survivor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。

这里的8:1:1的比例不是一成不变的,jvm支持动态变化。 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:-UseAdaptiveSizePolicy

示例:

//添加运行JVM参数: -XX:+PrintGCDetails
public class GCTest {
   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      byte[] allocation1, allocation2/*, allocation3, allocation4, allocation5, allocation6*/;
      allocation1 = new byte[60000*1024];
      //allocation2 = new byte[8000*1024];
      /*allocation3 = new byte[1000*1024];
     allocation4 = new byte[1000*1024];
     allocation5 = new byte[1000*1024];
     allocation6 = new byte[1000*1024];*/
   }
}

运行结果:
Heap
PSYoungGen      total 76288K, used 65536K [0x000000076b400000, 0x0000000770900000, 0x00000007c0000000)
eden space 65536K, 100% used [0x000000076b400000,0x000000076f400000,0x000000076f400000)
from space 10752K, 0% used [0x000000076fe80000,0x000000076fe80000,0x0000000770900000)
to   space 10752K, 0% used [0x000000076f400000,0x000000076f400000,0x000000076fe80000)
ParOldGen       total 175104K, used 0K [0x00000006c1c00000, 0x00000006cc700000, 0x000000076b400000)
object space 175104K, 0% used [0x00000006c1c00000,0x00000006c1c00000,0x00000006cc700000)
Metaspace       used 3342K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K

我们可以看出eden区内存几乎已经被分配完全(即使程序什么也不做,新生代也会使用至少几M内存)。假如我们再为allocation2分配内存会出现什么情况呢?

//添加运行JVM参数: -XX:+PrintGCDetails
public class GCTest {
   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      byte[] allocation1, allocation2/*, allocation3, allocation4, allocation5, allocation6*/;
      allocation1 = new byte[60000*1024];
      allocation2 = new byte[8000*1024];
      /*allocation3 = new byte[1000*1024];
      allocation4 = new byte[1000*1024];
      allocation5 = new byte[1000*1024];
      allocation6 = new byte[1000*1024];*/
   }
}

运行结果:
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 65253K->936K(76288K)] 65253K->60944K(251392K), 0.0279083 secs] [Times: user=0.13 sys=0.02, real=0.03 secs] 
Heap
PSYoungGen      total 76288K, used 9591K [0x000000076b400000, 0x0000000774900000, 0x00000007c0000000)
eden space 65536K, 13% used [0x000000076b400000,0x000000076bc73ef8,0x000000076f400000)
from space 10752K, 8% used [0x000000076f400000,0x000000076f4ea020,0x000000076fe80000)
to   space 10752K, 0% used [0x0000000773e80000,0x0000000773e80000,0x0000000774900000)
ParOldGen       total 175104K, used 60008K [0x00000006c1c00000, 0x00000006cc700000, 0x000000076b400000)
object space 175104K, 34% used [0x00000006c1c00000,0x00000006c569a010,0x00000006cc700000)
Metaspace       used 3342K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K

简单解释一下为什么会出现这种情况: 因为给allocation2分配内存的时候eden区内存几乎已经被分配完了,我们刚刚讲了当Eden区没有足够空间进行分配时,虚拟机将发起一次Minor GC,GC期间虚拟机又发现allocation1无法存入Survior空间,所以只好把新生代的对象提前转移到老年代中去,老年代上的空间足够存放allocation1,所以不会出现Full GC。执行Minor GC后,后面分配的对象如果能够存在eden区的话,还是会在eden区分配内存。可以执行如下代码验证:

public class GCTest {
   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      byte[] allocation1, allocation2, allocation3, allocation4, allocation5, allocation6;
      allocation1 = new byte[60000*1024];
      allocation2 = new byte[8000*1024];
      allocation3 = new byte[1000*1024];
      allocation4 = new byte[1000*1024];
     allocation5 = new byte[1000*1024];
     allocation6 = new byte[1000*1024];
   }
}

运行结果:
[GC (Allocation Failure) [PSYoungGen: 65253K->952K(76288K)] 65253K->60960K(251392K), 0.0311467 secs] [Times: user=0.08 sys=0.02, real=0.03 secs] 
Heap
PSYoungGen      total 76288K, used 13878K [0x000000076b400000, 0x0000000774900000, 0x00000007c0000000)
eden space 65536K, 19% used [0x000000076b400000,0x000000076c09fb68,0x000000076f400000)
from space 10752K, 8% used [0x000000076f400000,0x000000076f4ee030,0x000000076fe80000)
to   space 10752K, 0% used [0x0000000773e80000,0x0000000773e80000,0x0000000774900000)
ParOldGen       total 175104K, used 60008K [0x00000006c1c00000, 0x00000006cc700000, 0x000000076b400000)
object space 175104K, 34% used [0x00000006c1c00000,0x00000006c569a010,0x00000006cc700000)
Metaspace       used 3343K, capacity 4496K, committed 4864K, reserved 1056768K

上面介绍的是jvm中一种正常的对象分配以及转移过程,下面是其他的几种分配转移过程

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 为什么要这样呢? 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 MinorGC,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。

对象动态年龄判断

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。

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”(jdk1.8默认就设置了)的参数是否设置了 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,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挪动到老年代的对象大小还是大于老年代可用空间,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”

对象内存分配的整个过程这里基本囊括了,掌握本篇就基本上掌握了java创建对象的整个流程。

UNREMITTINGLY

2021/12/29  阅读:42  主题:雁栖湖

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