如何应对Android面试官->JVM对象回收与逃逸分析

前言

本节主要围绕下面三个方向进行知识点的讲解，带你从架构师角度认识内存溢出

虚拟机中对象的创建过程

当 JVM 遇到一条字节码 new 指令的时候，它首先会进行：

检查加载

检查对应的类有没有加载进来，如果没有加载进来，则要重新进行类加载，直到类加载成功，成功之后继续进行检查加载，具体检查什么呢？

Object obj = new Object();

例如上面这段代码，它会检查通过设置的 new 的参数（new Object）是否能在方法区的常量池中找到这个类的符号引用，

什么是类的符号引用？

用一组符号来描述你所引用的对象，例如 NBA 球员 James，这个 James 就是一个符号引用，假设 James 不来中国，那么你是看不到他的，你只看到了这个符号；那么对于类来说，这个类的前面加了 com.american.James，同时它要检查这个 James 类有没有被加载过；

分配内存

检查加载成功之后，就要开始分配内存，那么 JVM 是如何划分内存的呢？对象申请内存空间流程是怎样的呢？

划分内存有两种方式，一种是指针碰撞、一种是空闲列表

指针碰撞

假设我们的堆内存比较规整，红色代表已经分配了内存，白色代表未分配的内存，这个堆内存比较规整，我们可以使用一个指针指向堆内存中的最后一个对象的偏移量，当我们给一个对象申请内存空间的时候，这个指针就会根据这个对象的 size 挪动到指定的位置来放下创建的这个对象，这个就叫做指针碰撞（移动一个对象大小的距离）；另外这种指针碰撞只能在堆空间比较规整的情况下，但是经过垃圾回收之后，就会变成零散的，不规整的，那么指针碰撞在这种情况下就不合适了，这种时候，JVM 就会维护一个空闲列表；

空闲列表

JVM 用空闲列表来标记对应的位置是否有对象存在，在分配位置的时候，假设对象需要一个位置大小，就分配到 1 的位置，如果需要三个大小，就分配到 3-5 这个位置；

上面两种划分方式都是因为：在 JVM 中对象要占据的内存一定要是连续的；

JVM 用哪种方式来划分，取决于堆的规整程度；堆空间的规整度 又是由垃圾回收器决定的，垃圾回收器是否带有整理功能；

不管使用 指针碰撞 还是 空闲列表，JVM 为了提高效率，同样使用了多线程，那么就会带来多线程安全问题，那么 JVM 是如何解决并发安全的问题呢？

CAS加失败重试

A B 两个分配内存的时候，都会去抢同一块内存，会进行查询操作，查询下这块空间是不是空的，A B 两个线程拿到的都是空的，就会进行 CAS 操作，因为 CAS 操作是由 CPU 保证线程的执行顺序，假设 A 比 B 先执行，当 A 进行 CAS 操作的时候，判断这块空间是空的，就进行交换占据这块内存，当 B 进行 CAS 操作的时候，比较发现这块区域不空了，就会进行重试，直到找到一块为空的区域，然后进行交换操作；

CAS原理可以查看之前的讲解：如何应对Android面试官->CAS基本原理

本地线程分配缓冲

CAS 比较并且交换，比较和交换，必定耗费性能，所以 JVM 提供了第二种方式：本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer）简称 TLAB；

本地线程分配缓冲类似 ThreadLocal，堆中的 eden 预先给每个线程划分单独的一块区域，当线程执行的时候，直接分配，就不需要采取安全措施，这就是本地线程分配缓冲，但是 TLAB 比较小，只占用 eden 区的 1%；

什么时候 CAS，什么时候分配缓冲？

分配缓冲默认开启，如果要禁用，可以使用下面的配置选项

-XX:-UseTLAB 

内存空间初始化

内存空间的初始化不是构造方法，而是在内存分配之后，划分了一块区域，但是这块区域是空的，需要把里面的一些数据设置为 **零值，**这一步确保了对象在分配完内存后，在代码里面不需要赋值就可以直接使用，程序越早使用对象，它的效率就越高，这就是内存空间初始化；

什么是零值？

比如 int 类型，那么它的零值就是 0，boolean 类型，它的零值就是 false，

设置

对象属于哪个实例，需要设置一下，以及设置对象头；

对象的初始化

调用构造方法进行对象的初始化；

以上过程，针对的是 一般的对象（也就是我们编写的程序），因为 Java 中万物介对象；

虚拟机中对象的布局

HotSpot 中对象可以分为三块：对象头、实际数据、对齐补充

对象头

Mark Word（存储对象自身的运行时数据）

哈希码、GC分代年龄、锁状态标记、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳；

类型指针

指向类对象信息的指针；

Person p = new Person(); 

p 是一个引用对象，存在栈中（java虚拟机栈中的栈桢），new Person() 存在于堆中， 假设有一个 A 类，A 类中有一个 Person 对象，这个对象存储于堆区，那么它就会指向方法区的这个 A类（方法区存储类的描述信息），指向的过程就是这个 Class Pointer；

若为对象数组，还应有记录数组长度的数据

lenght 数据长度，只针对数组对象；

实例数据

包含对象所有成员变量，根据变量类型决定大小；

对齐填充

为了让对象的大小为8字节的整数倍；

为什么要对齐填充？

因为在 HotSpot 中，它对管理的对象的大小是有要求的，必须是 8 字节的整数，但是 对象头和实例数据是没有办法控制的，假设对象头 + 实例数据刚好 38 字节，那么对齐填充就会填充 2 个字节，如果对象头和实例数据加起来刚好是 8 的整数倍，那么这个对齐填充就不需要了；填充的话随便用一些值填充就可以了；

虚拟机中对象的访问定位

所有的虚拟机中（包括 HosSpot）对象的访问定位都有两种方式：使用句柄、直接指针

使用句柄

什么是句柄？

句柄就是在堆空间划一块区域，叫作句柄池，句柄池中存放的是什么呢？对象的访问通过 reference ，这个 reference 中就不会存放对象的地址了，而是存放一个叫作对象实例的指针，句柄其实就是做了一次中转，通过句柄池找到真实的对象实例数据，这样做的好处就是：如果对象进行了移动，句柄池不需要修改，还是可以通过句柄池找到对应的对象实例；

例如：句柄池中存放的是 Kobe 的对象实例指针，实例池中存放的是 Kobe 的实例，但是 Kobe 离开之后，句柄池的这个指针不需要修改，当有一个新的 Kobe 实例被替换的时候，还是可以通过这个指针找到对应的 Kobe 实例；

但是这样做的坏处是需要通过 Auth 查找；通过这个句柄池再映射一次，会有一次额外的指针定位开销，虽然这个开销比较小，但是 JVM 中对象的创建是比较疯狂的，这块会存在一个积少成多，那么虚拟机又提供了另外一种方式：直接指针；

直接指针

Person p = new Person();

在 HotSpot 中 使用的就是直接指针，这个 p 就是一个引用，这个引用就会指向真实的地址；这样做虽然带来了效率的提升，但是如果对象一直被移来移去，对象在物理区 移来移去，那么这个 reference 就会进行改变；

如何判断对象的存活

在 JVM 中对象是可以被回收的，首先对象是在堆中进行分配的，如果堆空间满了，就会触发垃圾回收，但是在进行垃圾回收之前我们要确定哪些对象是存活的；怎么判断呢？大部分都是采用的下面这两种方式

引用计数法

用一个计数器来统计对象被引用，对象被引用了，计数器就+1，如果这个引用失效了，就 -1，如果等于 0 说明这个对象不被引用了；

这里会存在一个问题：对象的相互引用；

上图中的两个对象就存在相互引用，但是又跟运行方法里面的不相关，外部没有可用的地方与它进行连接，它其实也是死的；

可达性分析（根可达）

JVM 中用的就是可达性分析法，本质上是根据一条链路来追踪的，这条链路以 GC Roots 的变量（静态变量、线程栈变量、常量池变量、JNI指针变量）或者对象（class、Exception、OOM、类加载器、加锁 synchronized 对象、JMXBean、临时性）为根节点，形成引用链路的则为存活对象，没有被 GC Roots 直接引用或者间接引用的都是可以回收的对象；

通过下面的代码可以验证 HotSpot 使用的是可达性分析法

// -XX:+PrintGC
public class ReliabilityAnalysisTest {    
    public Object instance = null; 
    // 辅助作用，占据内存，用来可达性分析   
    private byte[] bigSize = new byte[10 * 1024 * 1024];    
    public static void main(String[] args) {        
        ReliabilityAnalysisTest test = new ReliabilityAnalysisTest();        
        ReliabilityAnalysisTest test1 = new ReliabilityAnalysisTest();        
        // 相互引用        
        test.instance = test1;        
        test1.instance = test;        
        // 解除引用        
        test.instance = null;        
        test1.instance = null;        
        // 回收内存        
        System.gc();    
    }
}

VM参数加上注释的配置信息 -XX:+PrintGC 运行之后可以看到，内存进行了回收，说明引用计数法的方式在 HotSpot 中没有被使用；如果是可达性分析的话，这两个对象必然不会被回收；

可达性分析算法之后，没有引用链，但是互相引用的对象，也不是立马就会被回收，它们其实处于缓刑状态，还是可以被挽救的，但是这个挽救是需要开发者通过代码实现的，但是 finalize 只能执行一次，可以看下面的代码示例；

public class FinalizeTest {    
    public static FinalizeTest instance;    
    public void isAlive() {        
        System.out.println("is Alive");    
    }    
    @Override    
    protected void finalize() throws Throwable {        
        super.finalize();        
        System.out.println("finalize execute");        
        FinalizeTest.instance = this;    
    }    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        
        instance = new FinalizeTest();        
        // 第一次 GC        
        instance = null;        
        System.gc();        
        Thread.sleep(1000); // 等待 finalize 方法执行        
        if (instance != null) {            
            System.out.println("第一次GC后，对象实例不为空");            
            instance.isAlive();        
        } else {            
            System.out.println("第一次GC后，对象实例为空");        
        }        
        // 第二次 GC        
        instance = null;        
        System.gc();        
        Thread.sleep(1000); // 等待 finalize 方法执行        
        if (instance != null) {            
            System.out.println("第二次GC后，对象实例不为空");            
            instance.isAlive();        
        } else {            
            System.out.println("第二次GC后，对象实例为空");        
        }    
    }
}

可以看到第一次 GC 后，执行了 finalize 方法，进行了拯救，但是第二次 GC 之后，就被回收了；

这里为什么要加 sleep，是因为 finalize 的线程优先级非常低，如果去掉 sleep 则拯救不成功；

可以看到第一次 GC 之后就被回收了；

所以 finalize 尽量不要使用，这个方法太不可靠了；

JVM中的引用类型

强引用

Object obj = new Object();

这种就是强引用，只要 GC Roots 还在，那么强引用的就不会被回收；

软引用

内存不足，将要发生OOM的时候，会被回收；可以查看下面的代码示例

// -Xms20M -Xmx20
Mpublic class SoftReferencesTest {    
    static class User {        
        private String name;        
        private int age;        
        public User(String name, int age) {            
            this.name = name;            
            this.age = age;        
        }        
        @Override        
        public String toString() {            
            return "User{" +                    
                    "name='" + name + '\'' +                    
                    ", age=" + age +                    
                '}';        
        }
    }    
    public static void main(String[] args) {        
        User user = new User("张三", 18);        
        SoftReference<User> softReference = new SoftReference<>(user);        
        System.out.println("GC 前读取：" + softReference.get());        
        user = null; // 置空，确保只有软引用指向该对象        
        System.gc(); // 手动触发GC        
        System.out.println("GC 后读取：" + softReference.get());        
        // 构造内存溢出        
        List<byte[]> list = new ArrayList<>();        
        try {            
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {                
                list.add(new byte[1024 * 1024]);            
            }        
        } catch (Throwable e) {            
            System.out.println("内存溢出：" + softReference.get());        
        }    
    }
}

可以看到，当发生内存溢出的时候，被回收掉了，这个时候我们获取弱引用中的数据是拿不到的；

弱引用

GC 扫描到了就会回收；

public class WeakReferencesTest {    
    static class User {        
        private String name;        
        private int age;        
        public User(String name, int age) {            
            this.name = name;            
            this.age = age;        
        }        
        @Override        
        public String toString() {            
            return "User{" +                    
                "name='" + name + '\'' +                    
                ", age=" + age +                    
                '}';        
        }    
    }    

    public static void main(String[] args) {        
        User user = new User("张三", 18);        
        WeakReference<User> weakReference = new WeakReference(user);        
        System.out.println("GC 前读取：" + weakReference.get());        
        user = null; // 置空，确保只有软引用指向该对象        
        System.gc(); // 手动触发GC        
        System.out.println("GC 后读取：" + weakReference.get());    
    }
}

可以看到 GC 的时候，就被回收掉了；

虚引用

随时都会被回收，不知道什么时候就被回收了；主要用来监控垃圾回收器是否正常工作，一般业务开发中用不到；

对象申请内存空间流程

对象的分配原则

• 对象优先在Eden分配；
• 空间分配担保；
• 大对象直接进入老年代；
• 长期存活的对象进入老年代；
• 动态对象年龄判定；

对象分配时的优化技术

当我们 new 一个对象的时候，JVM 的第一个优化就是：是否栈上分配？

通常我们总是说：几乎所有对象都是堆中分配，但不是 100%，它也可以在栈上分配，并且在栈上分配的对象，就不需要垃圾回收，这也是为什么方法要在栈中执行的原因，效率高，栈的内存是跟随线程的，线程执行完了，这个栈也就结束了；

如果想在栈上分配对象，HotSpot 需要一项技术：逃逸分析技术；

逃逸分析：判断方法的对象有没有逃逸，就是分析这个对象的作用域

• 是不是可以逃逸出方法体；
• 是不是可以逃逸出其他线程；

可以看下面代码示例

// -XX:+PrintGC
// -XX:-DoEscapeAnalysis
public class EscapedAnalysisTest {    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {        
        long start = System.currentTimeMillis();        
        for (int i = 0; i < 6_000_000_0; i++) {                
            allocate();        
        }        
        System.out.println("Escaped Analysis: " + (System.currentTimeMillis() - start));        
        Thread.sleep(60_000);    
    }    

    static void allocate() {        
        Person person = new Person(1000L, 2000L);    
    }    
    
    static class Person {        
        private long age;        
        private long height;        
        public Person(long age, long height) {
            this.age = age;
            this.height = height;        
        }    
    }
}

Person person = new Person(1000L, 2000L); 

person 就会被分配到栈上，它满足 不会逃逸出方法体（方法外没有调用），也不会逃逸出其他线程（只有一个main线程）；

-XX:-DoEscapeAnalysis // 关闭逃逸分析

如果不想使用栈上分配（不做逃逸分析）的运行结果，可以加上上面的配置信息；执行结果如下

可以看到触发了 GC；

JVM的第二个优化就是：堆中本地线程分配缓冲，

上面已经介绍了；

对象优先在 Eden 区分配

如果不支持 本地线程分配缓冲，会判断是不是大对象，如果不是大对象，则在 Eden 区分配，满足了对象优先在 Eden 区分配的原则之一 ，如果是大对象，则直接分配到老年代（满足了大对象直接进入老年代原则之一）

大对象：一般是很长很长的字符串、数组；

如果我们通过参数 -Xms30M -Xmx30M 来设置我们的JVM 堆区为 30M，那么老年代就会分配20M，Eden区分配 8M，From区分配 1M， To区分配 1M；

也就是说新生代只占堆内存的三分之一，所以说大对象放到老年代可以避免垃圾回收；

JVM 可以通过参数设置是否为大对象，-XX:+PretenureSizeThresold10M，大于等于10M的对象则认为是大对象，直接分配到老年代；

Eden 上分配之后还会遵循一个原则：长期存活的对象进入老年代；

当触发垃圾回收的时候，因为 Eden 区只存放新生对象，Eden 中所有存活的对象都将被移动到 From 区，对象的对象头中的 age（Mark Word 区域的 GC分代年龄） 就会 +1，然后 Eden 被清空，Eden 被清空，当再次充满的时候，所有存活的对象和 From survivor 中所有存活的对象都被移动到 To survivor，然后 Eden 和 From survivor 被清空，这个时候 To 中的对象的对象头中的 age 会再次 +1 （=2），当再次充满触发垃圾回收的时候，会把存活的对象和 To survivor 中所有存活的对象都被移动到 From survivor，然后 Eden 和 To survivor 被清空，这个时候 From 中的对象的对象头中的 age 会再次 +1（=3），From 和 To 循环往复，当 age = 15 的时候，会被移动到老年代（满足了长期存活对象进入老年代原则之一） ，这种循环往复采用的就是 复制回收 算法；

JVM 为什么不把 Eden、From、To 合并成两个，只保留 From和 To呢？

这是因为复制回收算法要浪费一半的空间，为什么要浪费一半呢？万一复制过去的全是存活对象，比如从 From 复制到 To 的都是存活对象，但是 To 中没有足够的空间容纳下这些对象了；所以往往复制算法的空间都是一分为二，导致内存利用率只有50%；Oracle 和 Sun 公司做过大数据统计，90% 的对象在被垃圾回收的时候都能回收掉，只剩 10% 的存活对象，这 10% 的存活对象放入 From 区，那么就需要一个对等的 To 区，所以采用这样的一种方式的垃圾回收，那么浪费的只有 10% 的空间，空间利用率可以达到 90%；所以就没必要采用标准的复制回收，把堆区一分为二，而是分成三份区域，第一次垃圾回收的时候，移动到 From 区，后续采用标准的复制回收算法，从 From 复制到 To 区；

JVM 的复制回收算法为什么是 15 次，才会移动到老年代，可以修改这个值吗？

JDK 提供的 markOop.hpp（也就是 Mark Word） 文件中有提及到：

不管是 32 位的虚拟机还是 64 位的虚拟机，这个 age 都是存放的 4 位，从二进制来看存放的最大值就是 1111，按照十六进制转换，就是 15，所以说复制回收 age 的最大次数默认是 15 次；

JVM 也提供修改参数，可以修改这个值：

-XX:MaxTenuringThresold = 10 // 就可以修改这个值；

进入老年代的对象，age 就不会在被标记 +1；

垃圾回收的两个概念

在进行垃圾回收的时候，它其实是有两个概念的，在进行分代的时候，它可以采用两种 GC，垃圾回收器回收新生代称之为 Minor GC，回收老年代称之为 Major GC；

空间分配担保

通过堆中的对象分配原则，对象在分配的时候有 Eden 区 进入 From 区或者 To 区，最后进入 Tenured 区，大部分情况下老年代的对象都是由新生代晋级来的，但是假设老年代就只剩下 1M 的空间了，然后还有从 From 或者 To 区做一个对象的晋级，或者通过大对象分配，但是在进行对象晋级或者大对象分配，不能保证一定会有足够的空间来存放，所以在每一次晋级或者大对象分配的时候，自身要做一次Major GC，这种方式比较安全，但是 JVM 认为这种很影响效率，所以 JVM 就提出了一个概念叫作：空间分配担保，这个担保由 JVM 来担保，放心分配，如果确实不够了，再进行一次Major GC，而不用每次晋级都要触发，这就满足了对象分配空间分配担保原则之一；

动态年龄判断

为了优化 From 区和 To 区，因为这两个区域本身也不大，假设 From 区中有三个对象，这三个对象的年龄加起来仅仅是5，但是这三个对象占据了 From 区的一半，那么这个时候它会走一个动态年龄判断，并不一定非要达到15，就会让这个几个对象提前晋级到老年代，这些对象就不需要等到15之后再进入老年代；

整体申请内存空间流程

• 先去 eden 区看看是否有足够的空间；

• 有，直接分配

• 无，JVM 开始回收垃圾对象，回收完成之后，判断 eden 是否有足够空间；

• 有，直接分配；

• 无，s 区域是否有足够空间；

• 有，eden 区的存活对象移动到 s 区，新对象就可以在 eden 申请成功；

• 无，启用担保机制，old 区是否足够空间；

• 有，将s区的存活对象移动到 old 区，eden将存活对象放到s区，申请成功；

• 无，JVM 触发 full gc，gc 之后查看 old 区是否有足够空间；

• 有，将s区的存活对象移动到old区，eden将存活对象放到s区，申请成功；

• 无，OOM；

简历润色

简历上可写：深度理解JVM内存分配原理，能基于分配原理进行深度优化；

下一章预告

带你玩转垃圾回收；

欢迎三连

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