JVM 对象分配过程

野性酷女 2022-11-21 01:25 112阅读 0赞

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# 对象分配过程 #

*  1）依据逃逸分析，判断是否能栈上分配？
    
     *  如果可以，使用标量替换方式，把对象分配到`VM Stack`中。如果 线程销毁或方法调用结束后，自动销毁，不需要 GC 回收器 介入。
     *  否则，继续下一步。
 *  2）判断是否大对象？
    
     *  如果是，直接分配到堆上 `Old Generation` 老年代上。如果对象变为垃圾后，由老年代GC 收集器（比如 Parallel Old, CMS, G1）回收。
     *  否则，继续下一步。
 *  3）判断是否可以在 `TLAB`中分配？
    
     *  如果是，在 `TLAB`中分配堆上`Eden`区。
     *  否则，在 `TLAB`外堆上的`Eden`区分配。

# 栈上分配 #

本质上是JVM提供的一个优化技术。

*  基本思想：将线程私有的对象打散分配在栈 `VM Stack`上
 *  优点：
    
     *  可以在函数调用结束后自行销毁对象，不需要垃圾回收器的介入，有效避免垃圾回收带来的负面影响
     *  栈上分配速度快，提高系统性能
 *  局限性：
    
     *  栈空间小，对于**大对象**无法实现栈上分配
 *  技术基础： `逃逸分析`、`标量替换`

### 什么是逃逸分析？ ###

关于 Java 逃逸分析的定义：

逃逸分析（Escape Analysis）简单来讲就是，Java Hotspot 虚拟机可以分析新创建对象的使用范围，并决定是否在 Java 堆上分配内存的一项技术。

逃逸分析的 JVM 参数如下：

*  开启逃逸分析：`-XX:+DoEscapeAnalysis`
 *  关闭逃逸分析：`-XX:-DoEscapeAnalysis`
 *  显示分析结果：`-XX:+PrintEscapeAnalysis`

逃逸分析技术在 Java SE 6u23+ 开始支持，并默认设置为启用状态，可以不用额外加这个参数。

### 逃逸分析优化 ###

针对上面第三点，当一个对象没有逃逸时，可以得到以下几个虚拟机的优化。

1) 锁消除

我们知道线程同步锁是非常牺牲性能的，当编译器确定当前对象只有当前线程使用，那么就会移除该对象的同步锁。

例如，StringBuffer 和 Vector 都是用 synchronized 修饰线程安全的，但大部分情况下，它们都只是在当前线程中用到，这样编译器就会优化移除掉这些锁操作。

锁消除的 JVM 参数如下：

*  开启锁消除：`-XX:+EliminateLocks`
 *  关闭锁消除：`-XX:-EliminateLocks`

锁消除在 JDK8 中都是默认开启的，并且锁消除都要建立在**逃逸分析**的基础上。

2) 标量替换

首先要明白标量和聚合量，基础类型和对象的引用可以理解为标量，它们不能被进一步分解。而能被进一步分解的量就是聚合量，比如：对象。

对象是聚合量，它又可以被进一步分解成标量，将其成员变量分解为分散的变量，这就叫做`标量替换`。

这样，如果一个对象没有发生逃逸，那压根就不用创建它，只会在栈或者寄存器上创建它用到的成员标量，节省了内存空间，也提升了应用程序性能。

标量替换的 JVM 参数如下：

*  开启标量替换：`-XX:+EliminateAllocations`
 *  关闭标量替换：`-XX:-EliminateAllocations`
 *  显示标量替换详情：`-XX:+PrintEliminateAllocations`

标量替换同样在 JDK8 中都是默认开启的，并且都要建立在逃逸分析的基础上。

3) 栈上分配

当对象没有发生逃逸时，该对象就可以通过标量替换分解成成员标量分配在栈内存中，和方法的生命周期一致，随着栈帧出栈时销毁，减少了 GC 压力，提高了应用程序性能。

### 示例代码 ###

import java.time.Instant;
    /**
     * 栈上分配，依赖于逃逸分析和标量替换
     *
     * @author Sven Augustus
     */
    public class TestTLAB {
      // private static User u;
      /**
       * 一个User对象的大小：markdown 8 + class pointer 4 + int 4 + string (oops) 4 + padding 4 = 24B <br> 如果分配 100_000_000 个，则需要
       * 2400_000_000 字节， 约 2.24 GB。
       */
      static class User {
        private int id;
        private String name;
    
        public User(int id, String name) {
          this.id = id;
          this.name = name;
        }
      }
    
      private static void alloc() {
        User u = new User(1, "SvenAugustus");
        // u = new User(1, "SvenAugustus");
      }
      public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        long start = Instant.now().toEpochMilli();
        for (int i = 0; i < 100_000_000; i++) {
          alloc();
        }
        System.out.println(Instant.now().toEpochMilli() - start);
      }
    }

上述代码调用了1亿次alloc()，如果是分配到堆上，大概需要 2.2 GB的堆空间，如果堆空间小于该值，必然会触发GC。

使用如下VM参数运行，发现不会触发GC：

-server -Xmx15m -Xms15m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC -XX:-UseTLAB -XX:+EliminateAllocations

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使用如下参数（任意一行）运行，会发现触大量 GC：

//不使用逃逸分析
    -server -Xmx15m -Xms15m -XX:+PrintGCDetails -XX:-UseTLAB -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+EliminateAllocations
    //不使用标量替换
    -server -Xmx15m -Xms15m -XX:+PrintGCDetails -XX:-UseTLAB -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:-EliminateAllocations

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# TLAB 分配 #

TLAB，全称Thread Local Allocation Buffer, 即：线程本地分配缓存。这是一块线程专用的内存分配区域。

**TLAB占用的是eden区的空间。**

在TLAB启用的情况下（默认开启），JVM会为每一个线程分配一块TLAB区域。

### 为什么需要TLAB？ ###

这是为了加速对象的分配。

由于对象一般分配在堆上，而堆是线程共用的，因此可能会有多个线程在堆上申请空间，而每一次的对象分配都必须线程同步，会使分配的效率下降。

考虑到对象分配几乎是Java中最常用的操作，因此JVM使用了TLAB这样的线程专有区域来避免多线程冲突，提高对象分配的效率。

*  局限性： TLAB空间一般不会太大（占用eden区），所以**大对象**无法进行`TLAB`分配，只能直接分配到堆 `Heap`上。

# 大对象 #

大对象的 JVM 参数如下：

*  大对象到底多大：`-XX:PreTenureSizeThreshold=n`  
    （仅适用于 `DefNew` / `ParNew`新生代垃圾回收器 ） [https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8050209][https_bugs.openjdk.java.net_browse_JDK-8050209]
 *  `G1`回收器的大对象判断，则依据`Region`的大小（`-XX:G1HeapRegionSize`）来判断，如果对象大于`Region`50%以上，就判断为大对象`Humongous Object`。

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[https_bugs.openjdk.java.net_browse_JDK-8050209]: https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8050209