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[Java教程]源码分析:Java对象的内存分配


  Java对象的分配,根据其过程,将其分为快速分配和慢速分配两种形式,其中快速分配使用无锁的指针碰撞技术在新生代的Eden区上进行分配,而慢速分配根据堆的实现方式、GC的实现方式、代的实现方式不同而具有不同的分配调用层次。 
下面就以bytecodeInterpreter解释器对于new指令的解释出发,分析实例对象的内存分配过程:

 一、快速分配

  1.实例的创建首先需要知道该类型是否被加载和正确解析,根据字节码所指定的CONSTANT_Class_info常量池索引,获取对象的类型信息并调用is_unresovled_klass()验证该类是否被解析过,在创建类的实例之前,必须确保该类型已经被正确加载和解析。

 CASE(_new): {    u2 index = Bytes::get_Java_u2(pc+1);    constantPoolOop constants = istate->method()->constants();    if (!constants->tag_at(index).is_unresolved_klass()) {

  2.接下来获取该类型在虚拟机中的表示instanceKlass(具体可以参考前文实例探索Java对象的组织结构) 

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.当类型已经被初始化并且可以被快速分配时,那么将根据UseTLAB来决定是否使用TLAB技术(Thread-Local Allocation Buffers,线程局部分配缓存技术)来将分配工作交由线程自行完成。TLAB是每个线程在Java堆中预先分配了一小块内存,当有对象创建请求内存分配时,就会在该块内存上进行分配,而不需要在Eden区通过同步控制进行内存分配。

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上分配失败,则会尝试在堆的Eden区上进行分配。Universe::heap()返回虚拟机内存体系所使用的CollectedHeap,其top_addr()返回的是Eden区空闲块的起始地址变量_top的地址,end_addr()是Eden区空闲块的结束地址变量_end的地址。故这里compare_to是Eden区空闲块的起始地址,new_top为使用该块空闲块进行分配后新的空闲块起始地址。这里使用CAS操作进行空闲块的同步操作,即观察_top的预期值,若与compare_to相同,即没有其他线程操作该变量,则将new_top赋给_top真正成为新的空闲块起始地址值,这种分配技术叫做bump-the-pointer(指针碰撞技术)。

  

 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.根据是否需要填0选项,对分配空间的对象数据区进行填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.根据是否使用偏向锁,设置对象头信息,然后设置对象的klassOop引用(这样对象本身就获取了获取类型数据的途径)

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.把对象地址引入栈,并继续执行下一个字节码

SET_STACK_OBJECT(result, 0);       UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(3, 1);

  8.若该类型没有被解析,就会调用InterpreterRuntime的_new函数完成慢速分配

// 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过程,其流程图如下,关键在于快速分配在Eden区所使用的无锁指针碰撞技术 

    

 二、慢速分配

  接下来看看慢速分配是如何进行的: 
  1.InterpreterRuntime的_new函数定义在/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

  该函数在进行了对象类的检查(确保不是抽象类)和对该类型进行初始化后,调用instanceKlassHandle的allocate_instance进行内存分配。 
  其中instanceKlassHandle类由DEF_KLASS_HANDLE宏进行声明,注意该类重载了成员访问运算符”->”,这里的一系列成员方法的访问实际上是instanceKlass对象的访问。

 type*  operator -> () const    { return (type*)obj()->klass_part(); }

  2.所以实际上是调用了instanceKlass的allocate_instance()成员函数: 
  allocate_instance()定义在/hotspot/src/share/vm/oops/instanceKlass.cpp 
  (1).检查是否设置了Finalizer函数,获取对象所需空间的大小

instanceOop instanceKlass::allocate_instance(TRAPS) {   bool has_finalizer_flag = has_finalizer(); // Query before possible GC   int size = size_helper(); // Query before forming handle.

  (2).调用CollectedHeap的obj_allocate()创建一个instanceOop(堆上的对象实例),并根据情况注册Finalizer函数

    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()定义在/hotspot/src/share/vm/gc_interface/CollectedHeap.hpp中,它将转而调用内联函数obj_allocate()

  4.obj_allocate()定义在/hotspot/src/share/vm/gc_interface/CollectedHeap.inline.h中,若当正处于gc状态时,不允许进行内存分配申请,否则将调用common_mem_allocate_init()进行内存分配并返回获得内存的起始地址,随后将调用post_allocation_setup_obj()进行一些初始化工作 

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()分为两部分,将分别调用common_mem_allocate_noinit()进行内存空间的分配和调用init_obj()进行对象空间的初始化

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).若使用了本地线程分配缓冲TLAB,则会调用allocate_from_tlab()尝试从TLAB中分配内存

 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;  } }

  (2).否则会调用堆的mem_allocate()尝试分配

 

 bool gc_overhead_limit_was_exceeded = false; result = Universe::heap()->mem_allocate(size,                     is_noref,                     false,                     &gc_overhead_limit_was_exceeded);

  (3).统计分配的字节数

 if (result != NULL) {  //...  THREAD->incr_allocated_bytes(size * HeapWordSize);  return result; }

  (4).否则说明申请失败,若在申请过程中gc没有超时,则抛出OOM异常

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.对象内存分配后的初始化过程包括两部分,一个是init_obj()完成对对象内存空间的对齐和填充,一个是post_allocation_setup_obj()对堆上的oop对象进行初始化。 

  (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就是对象头的大小,fill_to_aligned_words将对象空间除去对象头的部分做填0处理,该函数定义在/hotspot/src/share/vm/utilities/copy.h中,并转而调用pd_fill_to_aligned_words()。 
  pd_fill_to_aligned_words根据不同平台实现,以x86平台为例,该函数定义在/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}

  该函数的作用就是先将地址类型转换,然后把堆的字数转化为字节数,再对该段内存进行填值(value = 0)处理

  (2).post_allocation_setup_obj()调用了post_allocation_setup_common()进行初始化工作,然后调用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()根据是否使用偏向锁,设置对象头信息等,即初始化oop的_mark字段。post_allocation_install_obj_klass()设置对象实例的klassOop引用,即初始化oop的_metadata(_klass/_compressed_klass)字段 。

  以上内容就是堆实现无关的慢速分配过程,其流程图如下: 

        

 三、堆的分配实现

  1.mem_allocate将由堆的实现类型定义,以GenCollectedHeap为例:

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根据用户配置有着不同的GC策略(默认的和配置UseSerialGC的MarkSweepPolicy、配置UseComcMarkSweepGC和UseAdaptiveSizePolicy的ASConcurrentMarkSweepPolicy、只配置UseComcMarkSweepGC的ConcurrentMarkSweepPolicy),但这里,对象内存空间的基本结构和分配的思想是一致的,所以统一由GenCollectorPolicy实现进行分代层级的对象分配操作,但具体的工作将交由各代的实现者来完成。

  GenCollectedPolicy的mem_allocate_work()函数如下: 
  (1).gch指向GenCollectedHeap堆,内存分配请求将循环不断地进行尝试,直到分配成功或GC后分配失败

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) { 

  对于占用空间比较大的对象,如果经常放在新生代,那么剩余的内存空间就会非常紧张,将可能会导致新生代内存垃圾回收的频繁触发。故若对象的大小超过一定值,那么就不应该分配在新生代。

   //...紧接上面部分   HandleMark 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;   }  }

  若对象应该在新生代上分配,就会调用新生代的par_allocate()进行分配,注意在新生代普遍是采用复制收集器的,而内存的分配对应采用了无锁式的指针碰撞技术。

  (2).在新生代上尝试无锁式的分配失败,那么就获取堆的互斥锁,并尝试在各代空间内进行内存分配

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();}

  当进行gc前,新生代的空闲空间大小不足以分配对象,或者有线程触发了gc,或前一次的FullGC是由MinorGC触发的情况,都应该不再尝试再更高的内存代上进行分配,以保证新分配的对象尽可能在新生代空间上。 

  attempt_allocation()实现如下:

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;}

  即由低内存代向高内存代尝试分配内存 

  (3).从各个代空间都找不到可用的空闲内存(或不应该在更高的内存代上分配时),如果已经有线程触发了gc,那么当各代空间还有virtual space可扩展空间可用时,将会尝试扩展代空间并再次尝试进行内存分配,有点在gc前想尽一切办法获得内存的意思。

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).否则各代已经没有可用的可扩展空间时,当当前线程没有位于jni的临界区时,将释放堆的互斥锁,以使得请求gc的线程可以进行gc操作,等待所有本地线程退出临界区和gc完成后,将继续循环尝试进行对象的内存分配

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).若各代无法分配对象的内存,并且没有gc被触发,那么当前请求内存分配的线程将发起一次gc,这里将提交给VM一个GenCollectForAllocation操作以触发gc,当操作执行成功并返回时,若gc锁已被获得,那么说明已经由其他线程触发了gc,将继续循环以等待gc完成

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   }

  否则将等待gc完成,若gc超时则会将gc_overhead_limit_was_exceeded设置为true返回给调用者,并重置超时状态,并对分配的对象进行填充处理

    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;   }

  以上内容就是堆的实现相关、但代/GC实现无关的分配过程,其流程图归纳如下: