前言

Java虛擬機棧是線程私有的，沒有數(shù)據(jù)安全問題，而堆相比較于Java虛擬機棧而言更為復雜。

因為堆是所有線程共享的一塊內(nèi)存空間，會出現(xiàn)線程安全性問題，而垃圾回收也主要是回收堆內(nèi)空間。

所以堆內(nèi)的布局我們非常有必要深入去了解一下?，F(xiàn)在就讓我們繼續(xù)來分析一下堆內(nèi)布局以及Java對象在內(nèi)存中的布局把。

對象的指向

先來看一段代碼：

package com.zwx.jvm;

public class HeapMemory {
    private Object obj1 = new Object();

    public static void main(String[] args) {
        Object obj2 = new Object();
    }
}

上面的代碼中，obj1 和obj2在內(nèi)存中有什么區(qū)別？

方法區(qū)存儲每個類的結(jié)構(gòu)，比如：運行時常量池、屬性和方法數(shù)據(jù)，以及方法和構(gòu)造函數(shù)等數(shù)據(jù)。

所以我們這個obj1是存在方法區(qū)的，而new會創(chuàng)建一個對象實例，對象實例是存儲在堆內(nèi)的，于是就有了下面這幅圖(方法區(qū)指向堆)：

而obj2 是屬于方法內(nèi)的局部變量，存儲在Java虛擬機棧內(nèi)的棧幀中的局部變量表內(nèi)，這就是經(jīng)典的棧指向堆：

這里我們再來思考一下，我們一個變量指向了堆，而堆內(nèi)只是存儲了一個實例對象，那么堆內(nèi)的示例對象是如何知道自己屬于哪個Class。

也就是說這個實例是如何知道自己所對應的類元信息的呢？這就涉及到了一個Java對象在內(nèi)存中是如何布局的。

Java內(nèi)存模型

對象內(nèi)存中可以分為三塊區(qū)域：

• 對象頭(Header)

• 實例數(shù)據(jù)(Instance Data)

• 對齊填充(Padding)

以64位操作系統(tǒng)為例(未開啟指針壓縮的情況)， Java對象布局如下圖所示：

上圖中的對齊填充不是一定有的，如果對象頭和實例數(shù)據(jù)加起來剛好是8字節(jié)的倍數(shù)，那么就不需要對齊填充。

知道了Java內(nèi)存布局，那么我們來看一個面試問題

Object obj=new Object()占用字節(jié)

這是網(wǎng)上很多人都會提到的一個問題，那么結(jié)合上面的Java內(nèi)存布局，我們來分析下，以64位操作系統(tǒng)為例，new Object()占用大小分為兩種情況：

• 未開啟指針壓縮

  占用大小為：8(Mark Word)+8(Class Pointer)=16字節(jié)

• 開啟了指針壓縮(默認是開啟的)

  開啟指針壓縮后，Class Pointer會被壓縮為4字節(jié)，最終大小為：

  8(Mark Word) + 4(Class Pointer) + 4(對齊填充) = 16字節(jié)

結(jié)果到底是不是這個呢？我們來驗證一下。
首先引入一個pom依賴：

<dependency>
  <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
  <artifactId>jol-core</artifactId>
  <version>0.10</version>
</dependency>

然后新建一個簡單的demo：

package com.zwx.jvm;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

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

輸出結(jié)果如下：

最后的結(jié)果是16字節(jié)，沒有問題，這是因為默認開啟了指針壓縮，那我們現(xiàn)在把指針壓縮關(guān)閉之后再去試試。

-XX:+UseCompressedOops  開啟指針壓縮
-XX:-UseCompressedOops  關(guān)閉指針壓縮

再次運行，得到如下結(jié)果：

可以看到，這時候已經(jīng)沒有了對齊填充部分了，但是占用大小還是16位。

下面我們再來演示一下如果一個對象中帶有屬性之后的大小。

新建一個類，內(nèi)部只有一個byte屬性：

package com.zwx.jvm;

public class MyItem {
    byte i = 0;
}

然后分別在開啟指針壓縮和關(guān)閉指針壓縮的場景下分別輸出這個類的大小。

package com.zwx.jvm;

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class HeapMemory {
    public static void main(String[] args) {
        MyItem myItem = new MyItem();
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(myItem).toPrintable());
    }
}

開啟指針壓縮，占用16字節(jié)：

關(guān)閉指針壓縮，占用24字節(jié)：

這個時候就能看出來開啟了指針壓縮的優(yōu)勢了，如果不斷創(chuàng)建大量對象，指針壓縮對性能還是有一定優(yōu)化的。

對象的訪問

創(chuàng)建好一個對象之后，當然需要去訪問它，那么當我們需要訪問一個對象的時候，是如何定位到對象的呢？

目前最主流的訪問對象方式有兩種：

• 句柄訪問

• 直接指針訪問。

句柄訪問

使用句柄訪問的話，Java虛擬機會在堆內(nèi)劃分出一塊內(nèi)存來存儲句柄池，那么對象當中存儲的就是句柄地址，然后句柄池中才會存儲對象實例數(shù)據(jù)和對象類型數(shù)據(jù)地址。

直接指針訪問(Hot Spot虛擬機采用的方式)

直接指針訪問的話對象中就會直接存儲對象類型數(shù)據(jù)。

句柄訪問和直接指針訪問對比

上面圖形中我們很容易對比，就是如果使用句柄訪問的時候，會多了一次指針定位。

但是他也有一個好處就是，假如一個對象被移動(地址改變了)，那么只需要改變句柄池的指向就可以了，不需要修改reference對象內(nèi)的指向。

而如果使用直接指針訪問，就還需要到局部變量表內(nèi)修改reference指向。

堆內(nèi)存

上面我們提到，在Java對象頭當中的Mark Word存儲了對象的分代年齡，那么什么是分代年齡呢？

一個對象的分代年齡可以理解為垃圾回收次數(shù)，當一個對象經(jīng)過一次垃圾回收之后還存在，那么分代年齡就會加1。

在64位的虛擬機中，分代年齡占了4位，最大值為15。分代年齡默認為0000，隨著垃圾回收次數(shù)，會逐漸遞增。

Java堆內(nèi)存中按照分代年齡來劃分，分為Young區(qū)和Old區(qū)，對象分配首先會到Y(jié)oung區(qū)。

達到一定分代年齡(-XX:MaxTenuringThreshold可以設(shè)置大小，默認為15)就會進入Old區(qū)(注意：如果一個對象太大，那么就會直接進入Old區(qū))。

之所以會這么劃分是因為如果整個堆只有一個區(qū)的話，那么垃圾回收的時候每次都需要把堆內(nèi)所有對象都掃描一遍，浪費性能。

而其實大部分Java對象的生命周期都是很短的，一旦一個對象回收很多次都回收不掉，可以認為下一次垃圾回收的時候可能也回收不掉。

所以Young區(qū)和Old區(qū)的垃圾回收可以分開進行，只有當Young區(qū)在進行垃圾回收之后還是沒有騰出空間，那么再去觸發(fā)Old區(qū)的垃圾回收。

Young區(qū)

現(xiàn)在拆分成了Young區(qū)，那我們看下面一個場景，下面的Young是經(jīng)過垃圾回收之后的一個概圖：

假如說現(xiàn)在來了一個對象，要占用2個對象的大小，會發(fā)現(xiàn)放不下去了，這時候就會觸發(fā)GC(垃圾回收)。

但是一旦觸發(fā)了GC(垃圾回收)，對用戶線程是有影響的，因為GC過程中為了確保對象引用不會不斷變化，需要停止所有用戶線程。

Sun把這個事件稱之為：Stop the World(STW)。

所以說一般是越少GC越好，而實際上上圖中可以看到至少還可以放入3個對象，只要按照對象都按照順序放好，那么是可以放得下的。

所以這就產(chǎn)生了問題了，明明有空間，但是因為空間不連續(xù)，導致對象申請內(nèi)存失敗，導致觸發(fā)GC了，那么如何解決這種問題呢？

解決的思路就是把Young區(qū)的對象按順序放好，所以就產(chǎn)生了一個方法，把Young區(qū)再次劃分一下，分為2個區(qū)：Eden區(qū)和Survivor區(qū)。

具體操作是：一個對象來了之后，先分配到Eden區(qū)，Eden區(qū)滿了之后，觸發(fā)GC。

經(jīng)過GC之后，為了防止空間不連續(xù)，把幸存下來的對象復制到Survivor區(qū)，然后Eden區(qū)就可以完整清理掉了。

當然這么做是有一個前提的，就是大部分對象都是生命周期極短的，基本一次垃圾回收就可以把Eden區(qū)大部分對象回收掉（這個前提是經(jīng)過測試總結(jié)得到的）。

觸發(fā)GC的時候Survivor區(qū)也會一起回收，并不是說單獨只觸發(fā)Eden區(qū)。

但是這樣問題又來了，Eden區(qū)是保證空間基本連續(xù)了，但是Survivor區(qū)又可能產(chǎn)生空間碎片，導致不連續(xù)了。

所以就又把Survivor區(qū)給一分為二了。

這個時候工作流程又變成這樣了：

首先還是在Eden區(qū)分配空間，Eden區(qū)滿了之后觸發(fā)GC，GC之后把幸存對象 復制到S0區(qū)(S1區(qū)是空的)，然后繼續(xù)在Eden區(qū)分配對象。

再次觸發(fā)GC之后如果發(fā)現(xiàn)S0區(qū)放不下了(產(chǎn)生空間碎片，實際還有空間)，那么就把S0區(qū)對象復制到S1區(qū)，并把幸存對象也復制到S1區(qū)，這時候S0區(qū)是空的了，并依次反復操作。

假如說S0區(qū)或者S1區(qū)空間對象復制移動了之后還是放不下，那就說明這時候是真的滿了，那就去老年區(qū)借點空間過來（這就是擔保機制，老年代需要提供這種空間分配擔保）。

假如說老年區(qū)空間也不夠了，那就會觸發(fā)Full GC，如果還是不夠，那就會拋出OutOfMemeoyError異常了。

注意：為了確保S0和S1兩個區(qū)域之間每次復制都能順利進行，S0和S1兩個區(qū)的大小必須要保持一致，而且同一時間有一個區(qū)域一定是空的。

雖然說這種做法是會導致了一小部分空間的浪費，但是綜合其他性能的提升來說，是值得的。

Old區(qū)

當Young區(qū)的對象達到設(shè)置的分代年齡之后，對象會進入Old區(qū)，Old區(qū)滿了之后會觸發(fā)Full GC，如果還是清理不掉空間，那么就拋出OutOfMemeoyError異常。

名詞掃盲

上面提到了很多新的名詞，而實際上很多這種名詞還有其他叫法，這個還是覺得有必要了解一下。

• 垃圾回收：簡稱GC。

• Minor GC：針對新生代的GC

• Major GC：針對老年代的GC，一般老年代觸發(fā)GC的同時也會觸發(fā)Minor GC，也就等于觸發(fā)了Full GC。

• Full GC：新生代+老年代同時發(fā)生GC。

• Young區(qū)：新生代

• Old區(qū)：老年代

• Eden區(qū)：暫時沒發(fā)現(xiàn)有什么中文翻譯(伊甸園?)

• Surcivor區(qū)：幸存區(qū)

• S0和S1：也稱之為from區(qū)和to區(qū)，注意from和to兩個區(qū)是不斷互換身份的，且S0和S1一定要相等，并且保證一塊區(qū)域是空的

一個對象的人生軌跡圖

從上面的介紹大家應該有一個大致的印象，一個對象會在Eden區(qū)，S0區(qū)，S1區(qū)，Old區(qū)不斷流轉(zhuǎn)（當然，一開始就會被回收的短命對象除外）。

我們可以得到下面的一個流程圖：