源碼分析：Java對象的內存分配
Java對象的分配，根據其過程，將其分為快速分配和慢速分配兩種形式，其中快速分配使用無鎖的指針碰撞技術在新生代的Eden區上進行分配，而慢速分配根據堆的實現方式、GC的實現方式、代的實現方式不同而具有不同的分配調用層次。
下面就以bytecodeInterpreter解釋器對于new指令的解釋出發，分析實例對象的內存分配過程：
一、快速分配
1.實例的創建首先需要知道該類型是否被加載和正確解析，根據字節碼所指定的CONSTANT_Class_info常量池索引，獲取對象的類型信息并調 用is_unresovled_klass()驗證該類是否被解析過，在創建類的實例之前，必須確保該類型已經被正確加載和解析。
- CASE(_new): {
- u2 index = Bytes::get_Java_u2(pc+1);
- constantPoolOop constants = istate->method()->constants();
- if (!constants->tag_at(index).is_unresolved_klass()) {
2.接下來獲取該類型在虛擬機中的表示instanceKlass(具體可以參考前文實例探索Java對象的組織結構)
- oop entry = constants->slot_at(index).get_oop();
- assert(entry->is_klass(), "Should be resolved klass");
- klassOop k_entry = (klassOop) entry;
- assert(k_entry->klass_part()->oop_is_instance(), "Should be instanceKlass");
- instanceKlass* ik = (instanceKlass*) k_entry->klass_part();
3.當類型已經被初始化并且可以被快速分配時，那么將根據UseTLAB來決定是否使用TLAB技術(Thread-Local Allocation Buffers，線程局部分配緩存技術)來將分配工作交由線程自行完成。TLAB是每個線程在Java堆中預先分配了一小塊內存，當有對象創建請求內存分 配時，就會在該塊內存上進行分配，而不需要在Eden區通過同步控制進行內存分配。
- if ( ik->is_initialized() && ik->can_be_fastpath_allocated() ) {
- size_t obj_size = ik->size_helper();
- oop result = NULL;
- // If the TLAB isn't pre-zeroed then we'll have to do it
- bool need_zero = !ZeroTLAB;
- if (UseTLAB) {
- result = (oop) THREAD->tlab().allocate(obj_size);
- }
- if (result == NULL) {
- need_zero = true;
4.如果不使用TLAB或在TLAB上分配失敗，則會嘗試在堆的Eden區上進行分配。Universe::heap()返回虛擬機內存體系所 使用的CollectedHeap，其top_addr()返回的是Eden區空閑塊的起始地址變量_top的地址，end_addr()是Eden區空 閑塊的結束地址變量_end的地址。故這里compare_to是Eden區空閑塊的起始地 址，new_top為使用該塊空閑塊進行分配后新的空閑塊起始地址。這里使用CAS操作進行空閑塊的同步操作，即觀察_top的預期值，若與 compare_to相同，即沒有其他線程操作該變量，則將new_top賦給_top真正成為新的空閑塊起始地址值，這種分配技術叫做bump- the-pointer(指針碰撞技術)。
- retry:
- HeapWord* compare_to = *Universe::heap()->top_addr();
- HeapWord* new_top = compare_to + obj_size;
- if (new_top <= *Universe::heap()->end_addr()) {
- if (Atomic::cmpxchg_ptr(new_top, Universe::heap()->top_addr(), compare_to) != compare_to) {
- goto retry;
- }
- result = (oop) compare_to;
- }
- }
5.根據是否需要填0選項，對分配空間的對象數據區進行填0
- if (result != NULL) {
- // Initialize object (if nonzero size and need) and then the header
- if (need_zero ) {
- HeapWord* to_zero = (HeapWord*) result + sizeof(oopDesc) / oopSize;
- obj_size -= sizeof(oopDesc) / oopSize;
- if (obj_size > 0 ) {
- memset(to_zero, 0, obj_size * HeapWordSize);
- }
- }
6.根據是否使用偏向鎖，設置對象頭信息，然后設置對象的klassOop引用(這樣對象本身就獲取了獲取類型數據的途徑)
- if (UseBiasedLocking) {
- result->set_mark(ik->prototype_header());
- } else {
- result->set_mark(markOopDesc::prototype());
- }
- result->set_klass_gap(0);
- result->set_klass(k_entry);
7.把對象地址引入棧，并繼續執行下一個字節碼
- SET_STACK_OBJECT(result, 0);
- UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(3, 1);
8.若該類型沒有被解析，就會調用InterpreterRuntime的_new函數完成慢速分配
- // Slow case allocation
- CALL_VM(InterpreterRuntime::_new(THREAD, METHOD->constants(), index),
- handle_exception);
- SET_STACK_OBJECT(THREAD->vm_result(), 0);
- THREAD->set_vm_result(NULL);
- UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(3, 1);
以上就是快速分配的過程，其流程圖如下，關鍵在于快速分配在Eden區所使用的無鎖指針碰撞技術
#p#
二、慢速分配
接下來看看慢速分配是如何進行的：
1.InterpreterRuntime的_new函數定義在/hotspot/src/share/vm/interpreter/interpreterRuntime.cpp中：
- IRT_ENTRY(void, InterpreterRuntime::_new(JavaThread* thread, constantPoolOopDesc* pool, int index))
- klassOop k_oop = pool->klass_at(index, CHECK);
- instanceKlassHandle klass (THREAD, k_oop);
- // Make sure we are not instantiating an abstract klass
- klass->check_valid_for_instantiation(true, CHECK);
- // Make sure klass is initialized
- klass->initialize(CHECK);
- oop obj = klass->allocate_instance(CHECK);
- thread->set_vm_result(obj);
- IRT_END
該函數在進行了對象類的檢查(確保不是抽象類)和對該類型進行初始化后，調用instanceKlassHandle的allocate_instance進行內存分配。
其中instanceKlassHandle類由DEF_KLASS_HANDLE宏進行聲明，注意該類重載了成員訪問運算符”->”，這里的一系列成員方法的訪問實際上是instanceKlass對象的訪問。
type* operator -> () const { return (type*)obj()->klass_part(); }
2.所以實際上是調用了instanceKlass的allocate_instance()成員函數：
allocate_instance()定義在/hotspot/src/share/vm/oops/instanceKlass.cpp
(1).檢查是否設置了Finalizer函數，獲取對象所需空間的大小
- instanceOop instanceKlass::allocate_instance(TRAPS) {
- bool has_finalizer_flag = has_finalizer(); // Query before possible GC
- int size = size_helper(); // Query before forming handle.
(2).調用CollectedHeap的obj_allocate()創建一個instanceOop(堆上的對象實例)，并根據情況注冊Finalizer函數
- KlassHandle h_k(THREAD, as_klassOop());
- instanceOop i;
- i = (instanceOop)CollectedHeap::obj_allocate(h_k, size, CHECK_NULL);
- if (has_finalizer_flag && !RegisterFinalizersAtInit) {
- i = register_finalizer(i, CHECK_NULL);
- }
- return i;
3.CollectedHeap::ojb_allocate()定義在/hotspot/src/share/vm/gc_interface/CollectedHeap.hpp中，它將轉而調用內聯函數obj_allocate()
4.obj_allocate()定義在/hotspot/src/share/vm/gc_interface /CollectedHeap.inline.h中，若當正處于gc狀態時，不允許進行內存分配申請，否則將調用 common_mem_allocate_init()進行內存分配并返回獲得內存的起始地址，隨后將調用 post_allocation_setup_obj()進行一些初始化工作
- oop CollectedHeap::obj_allocate(KlassHandle klass, int size, TRAPS) {
- //...assert
- HeapWord* obj = common_mem_allocate_init(size, false, CHECK_NULL);
- post_allocation_setup_obj(klass, obj, size);
- NOT_PRODUCT(Universe::heap()->check_for_bad_heap_word_value(obj, size));
- return (oop)obj;
- }
5.common_mem_allocate_init()分為兩部分，將分別調用common_mem_allocate_noinit()進行內存空間的分配和調用init_obj()進行對象空間的初始化
- HeapWord* CollectedHeap::common_mem_allocate_init(size_t size, bool is_noref, TRAPS) {
- HeapWord* obj = common_mem_allocate_noinit(size, is_noref, CHECK_NULL);
- init_obj(obj, size);
- return obj;
- }
6.common_mem_allocate_noinit()如下：
(1).若使用了本地線程分配緩沖TLAB，則會調用allocate_from_tlab()嘗試從TLAB中分配內存
(2).否則會調用堆的mem_allocate()嘗試分配
- HeapWord* result = NULL;
- if (UseTLAB) {
- result = CollectedHeap::allocate_from_tlab(THREAD, size);
- if (result != NULL) {
- assert(!HAS_PENDING_EXCEPTION,
- "Unexpected exception, will result in uninitialized storage"); return result;
- }
- }
- bool gc_overhead_limit_was_exceeded = false;
- result = Universe::heap()->mem_allocate(size,
- is_noref,
- false,
- &gc_overhead_limit_was_exceeded);
(3).統計分配的字節數
- if (result != NULL) {
- //...
- THREAD->incr_allocated_bytes(size * HeapWordSize);
- return result;
- }
(4).否則說明申請失敗，若在申請過程中gc沒有超時，則拋出OOM異常
- if (!gc_overhead_limit_was_exceeded) {
- // -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError and -XX:OnOutOfMemoryError support
- report_java_out_of_memory("Java heap space"); if (JvmtiExport::should_post_resource_exhausted()) { JvmtiExport::post_resource_exhausted( JVMTI_RESOURCE_EXHAUSTED_OOM_ERROR | JVMTI_RESOURCE_EXHAUSTED_JAVA_HEAP, "Java heap space");
- }
- THROW_OOP_0(Universe::out_of_memory_error_java_heap());
7.對象內存分配后的初始化過程包括兩部分，一個是init_obj()完成對對象內存空間的對齊和填充，一個是post_allocation_setup_obj()對堆上的oop對象進行初始化。
(1).init_obj()：
- void CollectedHeap::init_obj(HeapWord* obj, size_t size) {
- assert(obj != NULL, "cannot initialize NULL object"); const size_t hs = oopDesc::header_size(); assert(size >= hs, "unexpected object size"); ((oop)obj)->set_klass_gap(0); Copy::fill_to_aligned_words(obj + hs, size - hs);
- }
hs就是對象頭的大小，fill_to_aligned_words將對象空間除去對象頭的部分做填0處理，該函數定義在/hotspot /src/share/vm/utilities/copy.h中，并轉而調用pd_fill_to_aligned_words()。
pd_fill_to_aligned_words根據不同平臺實現，以x86平臺為例，該函數定義在/hotspot/src/cpu/x86/vm/copy_x86.h中：
- static void pd_fill_to_words(HeapWord* tohw, size_t count, juint value) {
- #ifdef AMD64
- julong* to = (julong*) tohw;
- julong v = ((julong) value << 32) | value;
- while (count-- > 0) {
- *to++ = v;
- }
- #else
- juint* to = (juint*)tohw;
- count *= HeapWordSize / BytesPerInt;
- while (count-- > 0) {
- *to++ = value;
- }
- #endif // AMD64
- }
該函數的作用就是先將地址類型轉換，然后把堆的字數轉化為字節數，再對該段內存進行填值(value = 0)處理
(2).post_allocation_setup_obj()調用了post_allocation_setup_common()進行初始化工作，然后調用post_allocation_notify()通知JVMTI和dtrace
- void CollectedHeap::post_allocation_setup_obj(KlassHandle klass,
- HeapWord* obj,
- size_t size) {
- post_allocation_setup_common(klass, obj, size);
- assert(Universe::is_bootstrapping() ||
- !((oop)obj)->blueprint()->oop_is_array(), "must not be an array"); // notify jvmti and dtrace post_allocation_notify(klass, (oop)obj);
- }
post_allocation_setup_common()如下：
- void CollectedHeap::post_allocation_setup_common(KlassHandle klass,
- HeapWord* obj,
- size_t size) {
- post_allocation_setup_no_klass_install(klass, obj, size);
- post_allocation_install_obj_klass(klass, oop(obj), (int) size);
- }
post_allocation_setup_no_klass_install()根據是否使用偏向鎖，設置對象頭信息等，即初始化oop的 _mark字段。post_allocation_install_obj_klass()設置對象實例的klassOop引用，即初始化oop的 _metadata(_klass/_compressed_klass)字段 。
以上內容就是堆實現無關的慢速分配過程，其流程圖如下：
三、堆的分配實現
1.mem_allocate將由堆的實現類型定義，以GenCollectedHeap為例：
- HeapWord* GenCollectedHeap::mem_allocate(size_t size,
- bool is_large_noref,
- bool is_tlab,
- bool* gc_overhead_limit_was_exceeded) {
- return collector_policy()->mem_allocate_work(size,
- is_tlab,
- gc_overhead_limit_was_exceeded);
- }
2.由之前分析，GenCollectedHeap根據用戶配置有著不同的GC策略(默認的和配置UseSerialGC的 MarkSweepPolicy、配置UseComcMarkSweepGC和UseAdaptiveSizePolicy的 ASConcurrentMarkSweepPolicy、只配置UseComcMarkSweepGC的 ConcurrentMarkSweepPolicy)，但這里，對象內存空間的基本結構和分配的思想是一致的，所以統一由 GenCollectorPolicy實現進行分代層級的對象分配操作，但具體的工作將交由各代的實現者來完成。
GenCollectedPolicy的mem_allocate_work()函數如下：
(1).gch指向GenCollectedHeap堆，內存分配請求將循環不斷地進行嘗試，直到分配成功或GC后分配失敗
- HeapWord* GenCollectorPolicy::mem_allocate_work(size_t size,
- bool is_tlab,
- bool* gc_overhead_limit_was_exceeded) {
- GenCollectedHeap *gch = GenCollectedHeap::heap();
- //...
- // Loop until the allocation is satisified,
- // or unsatisfied after GC.
- for (int try_count = 1; /* return or throw */; try_count += 1) {
對于占用空間比較大的對象，如果經常放在新生代，那么剩余的內存空間就會非常緊張，將可能會導致新生代內存垃圾回收的頻繁觸發。故若對象的大小超過一定值，那么就不應該分配在新生代。
- //...緊接上面部分
- dleMark hm; // discard any handles allocated in each iteration
- // First allocation attempt is lock-free.
- Generation *gen0 = gch->get_gen(0);
- if (gen0->should_allocate(size, is_tlab)) {
- result = gen0->par_allocate(size, is_tlab);
- if (result != NULL) {
- assert(gch->is_in_reserved(result), "result not in heap"); return result;
- }
- }
若對象應該在新生代上分配，就會調用新生代的par_allocate()進行分配，注意在新生代普遍是采用復制收集器的，而內存的分配對應采用了無鎖式的指針碰撞技術。
(2).在新生代上嘗試無鎖式的分配失敗，那么就獲取堆的互斥鎖，并嘗試在各代空間內進行內存分配
- unsigned int gc_count_before; // read inside the Heap_lock locked region
- {
- MutexLocker ml(Heap_lock);
- //...
- bool first_only = ! should_try_older_generation_allocation(size);
- result = gch->attempt_allocation(size, is_tlab, first_only);
- if (result != NULL) {
- assert(gch->is_in_reserved(result), "result not in heap"); return result;
- }
其中should_try_older_generation_allocation()如下：
- bool GenCollectorPolicy::should_try_older_generation_allocation(
- size_t word_size) const {
- GenCollectedHeap* gch = GenCollectedHeap::heap();
- size_t gen0_capacity = gch->get_gen(0)->capacity_before_gc();
- return (word_size > heap_word_size(gen0_capacity))
- || GC_locker::is_active_and_needs_gc()
- || gch->incremental_collection_failed();
- }
當進行gc前，新生代的空閑空間大小不足以分配對象，或者有線程觸發了gc，或前一次的FullGC是由MinorGC觸發的情況，都應該不再嘗試再更高的內存代上進行分配，以保證新分配的對象盡可能在新生代空間上。
attempt_allocation()實現如下：
- HeapWord* GenCollectedHeap::attempt_allocation(size_t size,
- bool is_tlab,
- bool first_only) {
- HeapWord* res;
- for (int i = 0; i < _n_gens; i++) {
- if (_gens[i]->should_allocate(size, is_tlab)) {
- res = _gens[i]->allocate(size, is_tlab);
- if (res != NULL) return res;
- else if (first_only) break;
- }
- }
- // Otherwise...
- return NULL;
- }
即由低內存代向高內存代嘗試分配內存
(3).從各個代空間都找不到可用的空閑內存(或不應該在更高的內存代上分配時)，如果已經有線程觸發了gc，那么當各代空間還有virtual space可擴展空間可用時，將會嘗試擴展代空間并再次嘗試進行內存分配，有點在gc前想盡一切辦法獲得內存的意思。
- if (GC_locker::is_active_and_needs_gc()) {
- if (is_tlab) {
- return NULL; // Caller will retry allocating individual object
- }
- if (!gch->is_maximal_no_gc()) {
- // Try and expand heap to satisfy request
- result = expand_heap_and_allocate(size, is_tlab);
- // result could be null if we are out of space
- if (result != NULL) {
- return result;
- }
- }
(4).否則各代已經沒有可用的可擴展空間時，當當前線程沒有位于jni的臨界區時，將釋放堆的互斥鎖，以使得請求gc的線程可以進行gc操作，等待所有本地線程退出臨界區和gc完成后，將繼續循環嘗試進行對象的內存分配
- JavaThread* jthr = JavaThread::current();
- if (!jthr->in_critical()) {
- MutexUnlocker mul(Heap_lock);
- // Wait for JNI critical section to be exited
- GC_locker::stall_until_clear();
- continue;
- }
(5).若各代無法分配對象的內存，并且沒有gc被觸發，那么當前請求內存分配的線程將發起一次gc，這里將提交給VM一個 GenCollectForAllocation操作以觸發gc，當操作執行成功并返回時，若gc鎖已被獲得，那么說明已經由其他線程觸發了gc，將繼續 循環以等待gc完成
否則將等待gc完成，若gc超時則會將gc_overhead_limit_was_exceeded設置為true返回給調用者，并重置超時狀態，并對分配的對象進行填充處理
- VM_GenCollectForAllocation op(size,
- is_tlab,
- gc_count_before);
- VMThread::execute(&op);
- if (op.prologue_succeeded()) {
- result = op.result();
- if (op.gc_locked()) {
- assert(result == NULL, "must be NULL if gc_locked() is true"); continue; // retry and/or stall as necessary
- }
- const bool limit_exceeded = size_policy()->gc_overhead_limit_exceeded();
- const bool softrefs_clear = all_soft_refs_clear();
- assert(!limit_exceeded || softrefs_clear, "Should have been cleared"); if (limit_exceeded && softrefs_clear) { *gc_overhead_limit_was_exceeded = true; size_policy()->set_gc_overhead_limit_exceeded(false); if (op.result() != NULL) { CollectedHeap::fill_with_object(op.result(), size); } return NULL;
- }
以上內容就是堆的實現相關、但代/GC實現無關的分配過程，其流程圖歸納如下：
