JVM（七）内存与垃圾回收|对象的实例化内存布局与访问定位+直接内存

本文主要讲对象相关（对象实例化、内存布局、访问定位）和直接内存相关的内容。

目录
 1 对象的实例化内存布局与访问定位
  1.1 对象的实例化
   1.1.1 创建对象的方式
   1.1.2 创建对象的步骤
    1.1.2.1判断对象对应的类是否加载、链接、初始化
    1.1.2.2 为对象分配内存
    1.1.2.3 处理并发安全问题
    1.1.2.4 初始化分配到的空间
    1.1.2.5 设置对象的对象头
    1.1.2.6 执行init方法进行初始化
  1.2 对象的内存布局
  1.3 对象的访问定位
 2 直接内存

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1 对象的实例化内存布局与访问定位

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1.1 对象的实例化

1.1.1 创建对象的方式

对象实例化方式

1.1.2 创建对象的步骤

创建对象的步骤

1.1.2.1 判断对象对应的类是否加载、链接、初始化

• 虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数能否在Metaspace的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经被加载、解析和初始化。（ 即判断类元信息是否存在）。
• 如果没有，那么在双亲委派模式下，使用当前类加载器以ClassLoader+包名+类名为Key查找对应的.class文件。如果没有找到文件，则抛出ClassNotFoundException异常，如果找到，则进行类加载，并生成对应的Class类对象

1.1.2.2 为对象分配内存

• 首先计算对象占用空间大小，接着在堆中划分一块内存给新对象。

• 如果实例成员变量是引用变量，仅分配引用变量空间即可，即4个字节大小。

• 如果内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞（BumpThePointer）来为对象分配内存。意思是所有用过的内存在一边，空闲的内存在另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。如果垃圾收集器选择的是Serial、ParNew这种基于标记压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。一般使用带有compact （整理）过程的收集器时，使用指针碰撞。
  

  指针碰撞

• 如果内存不是规整的，已使用的内存和未使用的内存相互交错，那么虛拟机将采用的是空闲列表（Free List）来为对象分配内存。意思是虚拟机维护了一个列表，记录上哪些内存块是可用的，再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，并更新列表上的内容。

说明：选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

1.1.2.3 处理并发安全问题

在分配内存空间时，要保证new对象时候的线程安全性：创建对象是非常频繁的操作，虚拟机需要解决并发问题。虚拟机采用 了两种方式解决并发问题：

• CAS （ Compare And Swap ）失败重试、区域加锁：保证指针更新操作的原子性；

CAS原理分析

• 本地线程分配缓冲区（TLAB ，Thread Local Allocation Buffer），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。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来 设定。

1.1.2.4 初始化分配到的空间

内存分配结束，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）。这一步保证了对象的实例字段在Java代码中可以不用赋初始值就可以直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

给对象的属性赋值的操作：
① 属性的默认初始化
② 显式初始化
③ 代码块中初始化
④ 构造器中初始化
①是在初始化分配到的空间这一步做的，而②③④是在执行init方法进行初始化做的

1.1.2.5 设置对象的对象头

将对象的所属类（即类的元数据信息）、对象的HashCode和对象的GC信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于JVM实现。

1.1.2.6 执行init方法进行初始化

• 在Java程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量。
• 因此一般来说，new指令之 后会接着执行方法（由字节码中是否跟随有invokespecial指令所决定），把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全创建出来。

/**
 * 测试对象实例化的过程 example01
 *  ① 加载类元信息 - ② 为对象分配内存 - ③ 处理并发问题  - ④ 属性的默认初始化（零值初始化）
 *  - ⑤ 设置对象头的信息 - ⑥ 属性的显式初始化、代码块中初始化、构造器中初始化
 *
 *
 *  给对象的属性赋值的操作：
 *  ① 属性的默认初始化 - ② 显式初始化 / ③ 代码块中初始化 - ④ 构造器中初始化
 */
public class Customer{
    int id = 1001;
    String name;
    Account acct;

    {
        name = "匿名客户";
    }
    public Customer(){
        acct = new Account();
    }
}
class Account{
}

1.2 对象的内存布局

对象内存布局

对齐填充：对齐填充是用于确保对象的内存的总长度为8字节的整数倍。
为什么要是确保是8字节的整数倍呢？
  因为hotspot要求对象起始地址为8字节的整数倍以便于自动内存管理，换句话说，对象的总长度要为8字节的整数倍才能保证如此。而又因为对象头正好是8字节（32位或64位）的整数倍，但是实例数据长度是任意的，因此需要对齐补充来确保整个对象总长度为8字节的整数倍
Java对象内存布局对齐填充等价形式推导

/**
 * example02
 */
public class CustomerTest {
    public static void main(String[] args) {
        Customer cust = new Customer();
    }
}

example01 & example02的图解

1.3 对象的访问定位

①JVM是如何通过栈帧中的对象引|用访问到其内部的对象实例的呢？
定位,通过栈上reference访问

对象的访问定位

②对象访问的主要方式有几种？

• 句柄访问
  

  句柄访问

• 直接指针(HotSpot采用)
  

  直接指针

③对象访问两种方式的优点？

对象访问方式	优点
句柄访问	对象移动（垃圾收集对象移动很普遍）时改变句柄到对象实例的指针即可
直接指针	节省空间；效率快

2 直接内存(Direct Memory)

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• 不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域
• 直接内存是Java堆外的、直接向系统申请的内存区间
• 来源于NIO，通过存在堆中的DirectByteBuffer操作Native内存

/**
 *  IO                  NIO (New IO / Non-Blocking IO)
 *  byte[] / char[]     Buffer
 *  Stream              Channel
 *
 * 查看直接内存的占用与释放 example03
 */
public class BufferTest {
    private static final int BUFFER = 1024 * 1024 * 1024;//1GB

    public static void main(String[] args){
        //直接分配本地内存空间
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(BUFFER);
        System.out.println("直接内存分配完毕，请求指示！");

        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        scanner.next();

        System.out.println("直接内存开始释放！");
        byteBuffer = null;
        System.gc();
        scanner.next();
    }
}

• 通常，访问直接内存的速度会优于Java堆。即读写性能高
    a.因此出于性能考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存
    b.Java的NIO库允许Java程序使用直接内存，用于数据缓冲区

  
  
  
  

• 也可能导致OutOfMemoryError异常:OutOfMemoryError: Direct buffer memory

/**
 * 本地内存的OOM:  OutOfMemoryError: Direct buffer memory  example04
 */
public class BufferTest2 {
    private static final int BUFFER = 1024 * 1024 * 20;//20MB

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList list = new ArrayList<>();

        int count = 0;
        try {
            while(true){
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(BUFFER);
                list.add(byteBuffer);
                count++;
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } finally {
            System.out.println(count);
        }
    }
}

• 由于直接内存在Java堆外，因此它的大小不会直接受限于一Xmx指定的最大
  堆大小，但是系统内存是有限的，Java堆和直接内存的总和依然受限于操作系统能给出的最大内存。

• 缺点
    a.分配回收成本较高
    b.不受JVM内存回收管理

• 直接内存大小可以通过MaxDirectMemorySize设置

• 如果不指定，默认与堆的最大值-Xmx参数值一致

• 简单理解：java process memory = java heap + native memory