jvm深度学习（7）：JVM 中对象的创建过程、内存布局、访问定位、判断对象存活算法、四种引用、Finalize 方法

骑猪看日落 2023-02-08 15:52 13阅读 0赞

前言：本文分别从JVM 中**对象的创建过程、对象的内存布局、对象的访问定位、判断对象的存活、四大引用**5个方面来讲述。

## JVM 中对象的创建过程 ##

提问：对象在jvm中到底是怎么创建出来的？

图解：

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### **1）检查加载** ###

当JVM遇到一条字节码new指令时，首先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（符号引用 ：符号引用以一组符号来描述所引用的目标），并且检查类是否已经被加载、解析和初始化过。如果该类没有没有加载过，将会抛出异常。

### 2）分配内存 ###

如果上一步检查加载成功，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。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。

分配内存有两种方式：

**1.指针碰撞**

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，这种分配方式称为“指针碰撞”。

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**2.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，这种分配方式称为“空闲列表”。

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小结：内存分配的方式的选取，都是由当前的内存结构决定的。指针碰撞适用内存规整，空闲列表则恰恰相反。JVM默认使用的是指针碰撞方式。而空间是否规整跟我们的垃圾回收器有关，比如CMS垃圾回收器是不带空间整理功能的，这就会导致堆内存是不规整的，这种情况下我们只能使用空闲列表的方式进行内存分配。如果是 Serial、ParNew 等带有压缩的整理的垃圾回收器的话，系统采用的是指针碰撞，既简单又高效。

PS：目前我们的垃圾回收器只有CMS功能不带整理功能。

**内存分配的并发问题**

绝大多数的情况下，我们的程序是多线程运行，如果有两个或者两个以上的线程同时进行内存分配，那么一定存在并发问题。

提问：内存分配如何解决并发问题呢？

解决方式有两种：

**1.CAS 机制**

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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。虽然这种方式解决了并发问题，但是我们不难发现，这种方式增加了复杂度，降低了内存的分配的功效性。

**2.分配缓冲**

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私有内存，也就是本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer,TLAB），JVM 在线程初始化时，同时也会申请一块指定大小的内存，只给当前线程使用，这样每个线程都单独拥有一个 Buffer，如果需要分配内存，就在自己的 Buffer 上分配，这样就不存在竞争的情况，可以大大提升分配效率，当 Buffer 容量不够的时候，再重新从 Eden 区域申请一块 继续使用。  
        TLAB 的目的是在为新对象分配内存空间时，让每个 Java 应用线程能在使用自己专属的分配指针来分配空间，减少同步开销。  
        TLAB 只是让每个线程有私有的分配指针，但底下存对象的内存空间还是给所有线程访问的，只是其它线程无法在这个区域分配而已。当一个TLAB 用满（分配指针top撞上分配极限end了），就新申请一个 TLAB。

小结：我们可以看到分配缓冲较CAS机制少了比较、预处理，失败重试步骤，极其高效，所以我们一般使用TLAB方式，JVM默认也是此方式。

JVM配置TLAB参数：

\-XX:+UseTLAB  
允许在年轻代空间中使用线程本地分配块（TLAB）。默认情况下启用此选项。要禁用 TLAB，请指定-XX:-UseTLAB。  
官方文档：https://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

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翻译：

允许在年轻代空间中使用线程本地分配块(TLABs)。默认情况下启用此选项。要禁用TLABs，请指定-XX:-UseTLAB。

### 3）内存空间初始化 ###

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**(如 int 值为 0，boolean 值为 false 等等)。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。

**注意：不是构造方法，此过程没有使用构造方法！**

### 4）设置 ###

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（Java classes 在 Java hotspot VM 内部表示为类元数据）、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头之中。

### 5）对象初始化 ###

在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚刚开始，所有的字段都还为零值。 所以，一般来说，执行 new 指令之后会接着把对象按照程序员的意愿进行初始化(构造方法)，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

## 对象的内存布局 ##

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这个对其补充挺有意思，他不是对象中必须存在的。只有当当前对象内存不是8字节整数的时候，才会存在。而他的作用就是**确保对象占用的内存是8字节的整数**，**好进行垃圾回收**。

### 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。目前主流的访问方式有使用**句柄**和**直接指针**两种。

### **句柄** ###

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如果使用句柄访问的话，那么 Java 堆中将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地址信息。

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.

使用句柄来访问的**也有坏处**就是，我们需要在堆中维护一个句柄池，而我们的引用过程由于中间多了个句柄池步骤也多了一步，执行效率受到影响。

### 直接指针 ###

如果使用直接指针访问， reference 中存储的直接就是对象地址。

![20200725113153182.png][]  
**小结**：这两种对象访问方式各有优势， 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。**对 Sun HotSpot 而言，它是使用直接指针访问方式进行对象访问的。**

## 判断对象的存活 ##

在堆里面存放着几乎所有的对象实例，垃圾回收器在对进行回收前，要做的事情就是确定这些对象中哪些还是“存活”着，哪些已经“死去”（死去代表着不可能再被任何途径使用得对象了）。JVM中有两种算法判断对象的存活。

### 引用计数法 ###

在对象中添加一个引用计数器，每当有一个地方引用它，计数器就加 1，当引用失效时，计数器减 1，当计数器为0的时候，表示当前对象已“死去”，可回收。

但是这种方式存在一个问题，就是当两个对象相互引用时，计数器永远不会0。这就导致即使这两个对象不会再被程序使用，依旧没有办法回收。

![20200725114554349.png][]

### 可达性分析 ###

来判定对象是否存活的。这个算法的基本思路就是通过一系列的称为“GC Roots”的对象作为起始点，从这些节点开始向下搜索，搜索所走过的路径称为引用链（Reference Chain），当一个对象到 GC Roots 没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的。

![20200725120702761.png][]  
作为 GC Roots 的对象包括下面几种（重点是前面 4 种）：  
**1、虚拟机栈（栈帧中的本地变量表）中引用的对象；各个现场被调用方法堆栈中使用到的参数、局部变量、临时变量等。  
2、方法区中类静态属性引用的对象；java 类的引用类型静态变量。  
3、方法区中常量引用的对象；比如：字符串常量池里的引用。  
4、本地方法栈中 JNI（即一般说的 Native 方法）引用的对象。**  
5、JVM 的内部引用（class 对象、异常对象 NullPointException、OutofMemoryError，系统类加载器）。（非重点）  
6、所有被同步锁(synchronized 关键)持有的对象。（非重点）  
7、JVM 内部的 JMXBean、JVMTI 中注册的回调、本地代码缓存等。（非重点）  
8、JVM 实现中的“临时性”对象，跨代引用的对象（在使用分代模型回收只回收部分代的对象，这个后续会细讲，先大致了解概念）。（非重点）

## ##

## 四种引用 ##

java中一共有四种引用，分别为强引用、弱引用、软引用、虚引用。

![20200725131727421.png][]

### 强引用 ###

一般的 Object obj = new Object() ，这种“=”相连的就属于强引用。在任何情况下，只有有强引用关联（与根可达）还在，垃圾回收器就永远不会回收掉被引用的对象。

### 软引用 SoftReference ###

一些有用但是并非必需，用软引用关联的对象，系统将要发生内存溢出（OuyOfMemory）之前，这些对象就会被回收（如果这次回收后还是没有足够的 空间，才会抛出内存溢出）。参见代码：  
VM 参数 -Xms10m -Xmx10m -XX:+PrintGC

public class TestSoftRef {
    	//对象
    	public static class User{
    		public int id = 0;
    		public String name = "";
    		public User(int id, String name) {
    			super();
    			this.id = id;
    			this.name = name;
    		}
    		@Override
    		public String toString() {
    			return "User [id=" + id + ", name=" + name + "]";
    		}
    
    	}
    	//
    	public static void main(String[] args) {
    		User u = new User(1,"TofuCai"); //new是强引用
    		SoftReference<User> userSoft = new SoftReference<User>(u);//软引用
    		u = null;//干掉强引用，确保这个实例只有userSoft的软引用
    		System.out.println(userSoft.get()); //看一下这个对象是否还在
    		System.gc();//进行一次GC垃圾回收  千万不要写在业务代码中。
    		System.out.println("After gc");
    		System.out.println(userSoft.get());
    		//往堆中填充数据，导致OOM
    		List<byte[]> list = new LinkedList<>();
    		try {
    			for(int i=0;i<100;i++) {
    				//System.out.println("*************"+userSoft.get());
    				list.add(new byte[1024*1024*1]); //1M的对象 100m
    			}
    		} catch (Throwable e) {
    			//抛出了OOM异常时打印软引用对象
    			System.out.println("Exception*************"+userSoft.get());
    		}
    
    	}

运行结果：

![20200725130614196.png][]

我们发现垃圾回收后，我们依然可以获得User\[id=1,name=TofuCai\]，而在内存溢出之后没有了User\[id=1,name=TofuCai\],内存要满时会主动触发垃圾回收，并将软引用User\[id=1,name=TofuCai\]成功的进行了垃圾回收。

**使用场景**：例如，一个程序用来处理用户提供的图片。如果将所有图片读入内存，这样虽然可以很快的打开图片，但内存空间使用巨大，一些使用较少的图片浪费内存空间，需要手动从内存中移除。如果每次打开图片都从磁盘文件中读取到内存再显示出来，虽然内存占用较少，但一些经常使用的图片每次打开都 要访问磁盘，代价巨大。这个时候就可以用软引用构建缓存。

### 弱引用 WeakReference ###

一些有用（程度比软引用更低）但是并非必需，用弱引用关联的对象，只能生存到下一次垃圾回收之前，GC 发生时，不管内存够不够，都会被回收。 参看代码：

public class TestWeakRef {
    	public static class User{
    		public int id = 0;
    		public String name = "";
    		public User(int id, String name) {
    			super();
    			this.id = id;
    			this.name = name;
    		}
    		@Override
    		public String toString() {
    			return "User [id=" + id + ", name=" + name + "]";
    		}
    
    	}
    
    	public static void main(String[] args) {
    		User u = new User(1,"TofuCai");
    		WeakReference<User> userWeak = new WeakReference<User>(u);
    		u = null;//干掉强引用，确保这个实例只有userWeak的弱引用
    		System.out.println(userWeak.get());
    		System.gc();//进行一次GC垃圾回收,千万不要写在业务代码中。
    		System.out.println("After gc");
    		System.out.println(userWeak.get());
    	}
    }

执行结果：

![20200725131403911.png][]

**注意：软引用 SoftReference 和弱引用 WeakReference，可以用在内存资源紧张的情况下以及创建不是很重要的数据缓存。当系统内存不足的时候，缓存中的内容是可以被释放的。**

**实际运用**（**WeakHashMap**、**ThreadLocal**）

### 虚引用 PhantomReference ###

幽灵引用，最弱（随时会被回收掉）  
垃圾回收的时候收到一个通知，就是**为了监控垃圾回收器是否正常工作**。

## **Finalize 方法和类回收** ##

### **Finalize 方法** ###

即使通过可达性分析判断不可达的对象，也不是“非死不可”，它还会处于“缓刑”阶段，真正要宣告一个对象死亡，需要经过两次标记过程，一次是没有找到与 GCRoots 的引用链，它将被第一次标记。随后进行一次筛选（如果对象覆盖了 finalize），我们可以在 finalize 中去拯救。  
代码演示：

public class FinalizeGC {
        public static FinalizeGC instance = null;
        public void isAlive(){
            System.out.println("I am still alive!");
        }
        @Override
        protected void finalize() throws Throwable{
            super.finalize();
            System.out.println("finalize method executed");
            FinalizeGC.instance = this;
        }
        public static void main(String[] args) throws Throwable {
            instance = new FinalizeGC();
            //对象进行第1次GC
            instance =null;
            System.gc();
            Thread.sleep(1000);//Finalizer方法优先级很低，需要等待
            if(instance !=null){
                instance.isAlive();
            }else{
                System.out.println("I am dead！");
            }
            //对象进行第2次GC
            instance =null;
            System.gc();
            Thread.sleep(1000);
            if(instance !=null){
                instance.isAlive();
            }else{
                System.out.println("I am dead！");
            }
        }
    }

执行结果：

![2020072512332482.png][]

可以看到，对象可以被拯救一次(finalize 执行第一次，但是不会执行第二次) 代码改一下，再来一次。

### 类回收（扩展、不重要）： ###

以上的回收都是对象，类的回收条件：  
注意 Class 要被回收，条件比较苛刻，必须同时满足以下的条件（仅仅是可以，不代表必然，因为还有一些参数可以进行控制）：

1、该类所有的实例都已经被回收，也就是堆中不存在该类的任何实例。

2、加载该类的 ClassLoader 已经被回收。

3、该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地方被引用，无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

4、参数控制：

![20200725121145914.png][]

废弃的常量和静态变量的回收其实就和 Class 回收的条件差不多。

**声明：本文为学习享学课堂三期JVM章节课后所做的学习总结，文中借鉴King老师上课笔记和课堂PPT。**

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