JVM面试整理--对象的创建和堆-编程知识

文章目录

- 对象的创建过程是怎样的?
- 对象在内存中的结构是怎样的（专业的叫法：对象的内存布局）
- 对象在内存分配时使用的哪种方式（有的地方也称为：分配算法）
- 知道什么是“指针碰撞”吗？
- 知道什么是“空闲列表”吗？
- 内存分配算法是否存在并发问题？是如何解决并发问题的？
- 请说一说“TLAB”
- 对象创建好后，如何对其进行定位访问
- jvm中堆的结构是怎样的？新生代、老年代
- JVM中老年代和新生代的比例是多少？
- 说说对象的分配规则。
- 什么是空间分配担保？

对象的创建过程是怎样的?

答：
对象的创建过程大致可分为如下四个步骤：

类加载检查。JVM遇到 new 指令，会去检查能否在常量池中定位到类的符号引用，并且检查该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，则进行类加载过程。
为对象分配内存。内存分配方式可以选择“指针碰撞”或是“空闲列表”。具体选择哪一种，是由堆内存是否规整决定的。
将内存空间初始化为零值（除对象头）。这一步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。
为对象进行必要的信息设置。这些信息主要存放在对象头(Object Header)之中。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。还有关于对象是否加锁的信息。
对象头的内容如下：

对象头

助记方法：
1.类是对象的基础，只有加载到jvm的类，才可以创建其对象 -> 类加载检查。
2.对象是需要存储信息的 -> 就需要为其分配内存。
3.对象的信息称为实例变量，实例变量需要赋值才可使用 -> 初始化零值
4.对象头保存了对象的元数据->这些信息是在对象创建时设置的

对象在内存中的结构是怎样的（专业的叫法：对象的内存布局）

答：
再次引用前面的图：

对象在堆内存中存储，其内存布局可分为3部分：
对象头、实例数据和对齐填充。

对象头（Object Header）。
又可再分为两部分：第一部分，官方称为“MarkWord”，存储的是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、偏向线程ID等；第二部分是“类型指针”（Klass Pointer）。即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机可通过其确定该对象是哪个类的实例。如果是数组对象，其对象头还会有一块用于记录数组长度的数据。
实例数据（Instance Data）。
真正存储有效信息的部分,这里主要指对象的实例字段。包含从父类继承的字段信息，相同宽度的字段总是分配在一起。
对齐填充（Padding）
因为对象的大小必须是8字节的整数倍。对象头是8字节的整数倍，但是实例数据则不一定，当其大小不足8字节时，需要对其进行填充，以达到8字节。

下图给出了对象头的空间占用情况：

对象头的空间占用

对象在内存分配时使用的哪种方式（有的地方也称为：分配算法）

答：对象在内存分配时，会使用到两种内存分配方式：

指针碰撞
空闲列表

具体使用哪一种内存分配方式，取决于堆内存是否规整。而堆内存是否规整，则决定于垃圾收集器是否带有整理功能（即是否采用了“标记-整理”垃圾收集算法）。

因此，带压缩功能的Serial New等收集器，采用 “指针碰撞” 分配算法。
而像CMS这种基于 Mark-Sweep 算法的收集器，则采用 “空闲列表” 分配算法。

知道什么是“指针碰撞”吗？

答：

指针碰撞

一般情况下，JVM的对象都放在堆内存中（发生逃逸分析除外）。
Java虚拟机为新生对象分配内存时。如果Java堆中的内存是绝对规整的，所有被使用过的的内存都被放到一边，空闲的内存放在另外一边，中间以一个指针作为分界点的指示器（如图所示）。那么分配内存所要做的仅仅是把指针向空闲内存方向挪动，挪动的距离正好等于对象的大小，这种内存分配方式就称为“指针碰撞”。

助记点：
1.堆内存需绝对规整（结合图加深理解）。关键字：已使用内存，空闲的内存，指针，分界点的指示器
2.分配内存，即指针向空闲内存方向移动。关键词：向空闲内存的方向移动。
3.内存分配方式，称为“指针碰撞”。关键词：内存分配方式

知道什么是“空闲列表”吗？

答：
当堆内存不规整 （即已使用内存和空闲内存是交错在一起的）时，是不适合使用“指针碰撞”的方式为对象分配内存的。

而对象的内存是需要一整块连续区域的。为了能快速找到合适大小的内存，虚拟机就需要维护一个列表，用于记录哪些内存可用，其大小是多少。

当分配内存时，借助于该列表可以很快找到合适的内存。列表中已分配内存的记录需要进行更新（删除还是打标已使用？）。
这种内存分配方式，称为“空闲列表”。

内存分配算法是否存在并发问题？是如何解决并发问题的？

答：
内存分配时，不管是使用 “指针碰撞” 还是 “空闲列表” 分配算法，都有可能产生并发问题。

因为可能有多个线程发起了对象创建，从而出现多个线程对同一个内存位置的争抢情况，结果导致某些线程中对象创建失败。

为了解决并发问题，JVM给出了两种方案：

CAS + 失败重试
TLAB（本地线程分配缓冲）

请说一说“TLAB”

答：TLAB是本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer）的缩写。有的地方也翻译为本地线程分配缓存。

它的工作原理：为每一个线程在堆中预先分配一小块内存，称其为TLAB。为线程分配堆内存时，优先从TLAB上分配，当TLAB用完后，再使用同步锁定的方式分配新的TLAB。

虚拟机通过参数 -XX:+/-UseTLAB 决定是否启用TLAB功能。

对象创建好后，如何对其进行定位访问

答：对象创建好后，可以通过如下方式对其进行定位访问：

使用句柄
直接指针

使用句柄访问，将会从堆中划分出一块内存来作为句柄池，reference（栈中的本地变量表）中存储的是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据指针与对象类型数据指针（二元组）。

使用句柄访问：
在这里插入图片描述

使用句柄访问的好处：

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。

助记关键词：
句柄池、句柄地址-存在本地变量表中、句柄是一个二元组<实例数据指针, 类型数据指针>

使用直接指针访问，reference 中存储的直接就是对象地址。而对象的头信息中包含对象类型数据的信息（称为对象类型指针）。

使用直接指针访问：

直接指针访问的好处：

速度更快，节省了一次指针定位的时间开销。

助记关键词：
reference直接指向对象地址、对象头中包含类型信息

jvm中堆的结构是怎样的？新生代、老年代

答：
Java堆可分为新生代和老年代，新生代和老年代的比例为1:2。这个比例可通过-XX:NewRatio参数进行调整。

新生代又可细分为一块较大的Eden区和两块较小的Survivor区。默认Eden和Survivor大小的比例是8:1。这个比例可以通过 -XX:SurvivorRatio 参数进行调整。

JVM每次只会使用Eden和其中一块Survivor区域来为对象服务，所以总是有一块Survivor区域是空闲的。
所以新生代的实际可用内存空间为9/10的新生代内存空间。

新生代存储的都是新创建的对象、比较小的对象；而老年代存的都是活得久的，或是比较大的对象。所以，老年代占JVM堆内存的比例较大。

下图是新生代和老年代的比例：

新生代和老年代

JVM中老年代和新生代的比例是多少？

答：新生代和老年代的默认比例是1:2。这个比例可通过-XX:NewRatio参数进行调整。

注：和堆的内存结构重复，单独拎出来是为了强调该知识点的重要性。

说说对象的分配规则。

答：
目前主流的虚拟机都是使用的分代收集算法。对应的内存的分配也是分代分配的。

规则如下：

对象优先分配在Eden区。如果启用了TLAB，则优先在TLAB上分配。当Eden区没有足够空间时，会触发一次Minor GC（YGC）。
大对象（指需要大量连续内存空间的对象，如长字符串和长数组）直接进入老年代。
长期存活的对象进入老年代。对象头的MarkWord中有一个GC分代年龄，默认分代年龄大于15的对象进入老年代。对象首次进入Survivor区后，其对象年龄设为1，然后在Survivor中每熬过一次Minor GC，其对象年龄就加1，直至对象年龄达到阈值，对象直接进入老年代（也称为晋升为老年代）。可通过设置参数-XX:MaxTenuringThreshold修改对象进入老年代的年龄阈值。该规则针对的是Survivor中的对象
动态对象年龄判断。其概念为：如果Survivor中相同年龄的对象的总大小大于Survivor空间的一半，年龄大于等于该年龄的对象，直接进入老年代。注意：这条规则也是针对Survivor中的对象的。

例如：Survivor空间=2M，当中有4个对象：
对象1：大小-0.5M，年龄-3
对象2：大小-0.6M，年龄-3
对象3：大小-0.1M，年龄-2
对象4：大小-0.2M，年龄-4

根据动态对象年龄判断的规则：对象1+对象2的总大小 > 1M；
所以，Survivor中年龄大于等于3的对象，都将进入老年代。
故：对象1、对象2和对象4，都将进入老年代。
空间分配担保。