Java内存区域与内存溢出异常-HotSpot虚拟机对象探秘

冷不防 2022-09-29 05:19 214阅读 0赞

# Java内存区域与内存溢出异常 #

## HotSpot虚拟机对象探秘 ##

### 对象的创建 ###

在语言层面上，创建对象（例如克隆、反序列化）通常仅仅是一个new关键字而已，在虚拟机中，对象（文中探讨的对象限于普通的对象，不包括数组和Class对象等）的创建又是怎样一个过程那？

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亮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经被加载、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。

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。对象所需要的内存的大小在类加载完成后便可以确定，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。假设Java堆中内存是绝对规整的，用过的和空闲的内存各在一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就是把那个指针向空闲空间的那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为“指针碰撞”(Bump the Pointer)。如果Java堆中的内存不是规整的，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，这种分配方式称为“空闲列表”(Free List)。采用哪种分配方式是由Java堆是否规整决定的，而Java堆是否规整是由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定的。因此，在使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常采用空闲列表。

除如何划分可用空间之外，还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，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。解决这个问题有两种方案，一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另一种是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，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过`-XX:+/-UseTLAB`参数来设定。

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。

接下来，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。这些信息存放在对象的对象（Object Header）之中。

### 对象的内存布局 ###

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）。

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分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。

对象头的另外一部分是类型指针，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。另外，如果对象是一个Java数组，那在对象头中还必须  
有一块用于记录数组长度的数据，因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，但从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。

对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。

### 对象的访问定位 ###

建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方法也取决于虚拟机实现而决定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针俩种。

1.  使用句柄：java堆中会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体信息。
    
    ![使用句柄][SouthEast]
2.  直接指针访问：java堆中的对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址。使用指针访问方式的最大好处就是速度开。
    
    ![直接指针访问][SouthEast 1]

使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。

使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

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摘自：  
深入理解Java虚拟机  
备注：  
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作者：WSYW126

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