Java对象创建的过程流程分析_Java

一、类加载过程

类加载检查
- 当java虚拟机（jvm）遇到new关键字时，它会先检查要创建的对象类是否已经被加载、链接和初始化。如果尚未加载，jvm会通过类加载器（classloader）加载对应类的.class文件。
类加载
- 类加载包括三个子步骤：加载、连接、初始化。
  - 加载：通过权限定类名，读取 class 文件内容为二进制流；二进制流转换成方法区(永久代或元数据区)的运行时 c++类字节码对象 klass；最后再在堆上生成一个 class 对象，用来间接获取元数据区的类定义信息，静态对象也保存在 class 对象中。
  - 连接：
    - **验证：**验证文件格式、字节码元数据、语法、符号引用；
    - 准备：为类的静态变量分配内存，并赋予默认初始值（例如0或null），但不会执行任何实际的初始化代码。
    - **解析：**将符号引用替换为直接引用。
  - 初始化：类的静态变量赋予正确的初始值，执行静态块；可能涉及父类初始化。
内存分配
- jvm为新创建的对象分配内存空间。对象内存主要包括对象头、实例数据以及可能的对齐填充。
  - 对象头：存储对象自身的元数据如哈希码、锁状态标志、gc分代年龄等信息，以及指向其类元数据（class对象）的指针。
  - 实例数据：存储类中定义的字段的实际数据。
  - 对齐填充：非必须，为了满足jvm对内存地址对其的要求而填充的额外空间。
初始化零值：
- 分配内存后，jvm会对对象的所有字段（包括实例变量）分配默认的初始值。
显式初始化：接下来，如果有在字段声明时直接赋予的初始值（例如int a = 10;），这些值会在构造函数执行前被赋予相应的变量。
**对象头必要信息设置 **主要是对象头中类的源数据信息，哈希码，对象 gc 分代年龄等。
初始化
- 构造器初始化：调用类的构造方法（即构造器）进行初始化，执行构造器中的初始化代码，此时才会给实例变量赋予程序员指定的初始值。
- 如果类中有父类并且还没有被初始化，则先初始化父类。
对象构造完成：
- 构造方法执行完毕后，对象就完全构造出来了，可以被程序正常使用。

二、对象内存分配方式

内存分配方式根据不同的收集器策略可分为两种，不同的收集器的堆内存规整程度不一致所以有两种分配策略。

指针碰撞 bump the pointer

在使用指针碰撞策略时，java堆被假设为一个连续的内存空间，被分为已用和未用两部分，中间由一个指针作为分界线。当新对象需要内存时，jvm只需将指针向未用空间一侧移动与对象大小相等的距离即可。这种方式适用于使用标记-清除或复制算法的垃圾收集器，因为这些算法能够整理出连续的内存空间。

空闲列表 free list

如果java堆中的内存不是连续的，或者已被使用的内存和未被使用的内存相互交错（这种情况通常发生在使用标记-整理或分代收集算法的垃圾收集器中），那么空闲列表策略更为适用。在这种情况下，jvm维护一个列表来记录堆中各个小块的可用内存空间。当新对象需要内存时，jvm会从列表中找到一个足够大的空闲块分配给对象，并更新列表。这种方法不需要连续的内存空间，但管理成本相对较高。

三、内存分配的安全问题

堆是线程间共享的一块儿区域，所以多个线程同时创建对象时都涉及对内存空间的申请和分配，那么内存分配就可能出现线程安全问题。依赖以下机制解决多线程安全问题，一种是** cas 乐观锁机制**，一种是 tlab 本地线程分配缓冲机制

thread local allocation buffer (tlab) 本地线程分配缓冲：每个线程有一个属于自己的预分配内存空间，jvm 首先通过 cas 为线程申请一块儿预分配内存。这样当某个线程需要申请新的内存空间时首先现在自己的 tlab 上分配，能减少内存分配冲突。后续 tlab 内存不足了才会 cas 申请一块儿新的 latb 或者直接在 eden 区直接分配。

compare-and-swap (cas) 在某些jvm实现中，可能会使用cas操作来实现无锁的线程安全内存分配。cas是一种硬件级别的原子操作，允许线程在不加锁的情况下比较并交换内存中的值，从而减少锁带来的性能开销，并能有效防止数据竞争。

四、对象如何进入老年代

新生代：刚创建的对象默认进入新生代的 eden 区
进入老年代的条件：四种情况
1. 熬过了多次 minorgc ，每次 minorgc 过后对象的年龄就会+1，存活超过 15 次之后就会进入老年代。该次数可通过参数控制 -xx:maxtenuringthreshold
2. 动态年龄判断机制：minorgc 后，如果 survivor 区中的一批对象大雨了这块 survivor 区的 50%就会将大于等于这批对象年龄最大值的所有对象直接进入老年代。
  1. 举例 s1 中有年龄为 1 、2、3、4 的一批对象，其中 234 年龄的加起来超过 s1 的 50%，那么年龄大于等于 4 的对象就直接进入老年代了。
3. serial 和 parnew 收集器，大对象直接进入老年代。例如大字符串和数组可通过-xx:pertenuresizethreshold 配置默认为 1m
4. minorgc 后，存活的对象太多无法放入 sruvivor 区域，会触发空间分配担保机制。将存活的对象移入老年代

分配担保机制(空间担保) allocation assurance mechanism

什么是分配担保机制

在 jvm 中，空间分配担保机制（space allocation guarantee mechanism）是一种确保在进行垃圾收集时，有足够的空间来处理对象晋升和分配的策略。这种机制主要用于新生代垃圾收集（minor gc）和老年代垃圾收集（major gc 或 full gc）之间的协调，以避免出现内存不足的情况。

:::success
用老年代的空间，来担保新生代的垃圾回收可以成功执行并腾出空间。会将新生代存活的对象转移到老年代中。保证新分配内存能直接成功。

young 分区内存不足以创建新对象

:::

内存担保的原理

minorgc前

第一步：判断老年代可用内存是否小于新时代对象全部对象大小，如果小于则继续判断,大于则可进行mainorgc
第二步：老年代小于存活对象，则判断老年代内存是否小于每次minorgc后进入老年代的平均大小
1. 小于平均大小，则进行fullgc,再判断是否能保存得下存活对象，放不下则oom
2. 大于平均大小，则进行minorgc

minorgc后

如果存活对象小于survivor区，则直接进入survivor区
如果存活对象大于survivor区，但是小于老年代可用内存，则直接进入老年代
如果存活对象大于survivor区，还大于老年代，则尝试进行一次fullgc，fullgc后再次判断，如果放不下存活对象则会oom

分配担保的配置

**-xx:handlepromotionfailure：**这个参数控制是否允许晋升失败。如果设置为 true，jvm 会在 minor gc 时尝试晋升对象，即使老年代空间不足，也会尝试进行一次 minor gc。如果失败，则触发 full gc。这个参数在 java 6 之后已经被默认取消使用。
-xx:pretenuresizethreshold：这个参数指定大对象直接在老年代分配的大小阈值。超过该阈值的对象直接分配到老年代，避免在新生代频繁复制。
**-xx:maxtenuringthreshold：**这个参数控制对象在新生代中经历多少次 gc 后晋升到老年代。较高的阈值可以减少对象晋升，但会增加新生代的 gc 频率。
-xx:targetsurvivorratio：这个参数控制每次 minor gc 后目标存活区（survivor space）的利用率。jvm 会根据这个参数调整对象晋升的阈值。

五、验证

大对象直接进入老年代

/**
* 测试：大对象直接进入到老年代
* -xmx60m -xms60m -xx:newratio=2 -xx:survivorratio=8 -xx:+printgcdetails
* -xx:pretenuresizethreshold
*
*/
public class youngoldarea {
    public static void main(string[] args) {
        byte[] buffer = new byte[1024*1024*20]; //20m
    }
}
-xx:newratio=2 新生代与老年代比值
-xx:survivorratio=8 新生代中，eden与两个survivor区域比值
-xx:+printgcdetails 打印详细gc日志
-xx:pretenuresizethreshold 对象超过多大直接在老年代分配，默认值为0，不限制

对象内存分代晋升演示

/*
-xmx600m -xms600m -xx:+printgcdetails
*/
public class heapinstance {
  public static void main(string[] args) {
    list<picture> list = new arraylist<>();
    while (true){
      try {
        thread.sleep(20);
     } catch (interruptedexception e) {
        e.printstacktrace();
     }
      list.add(new picture(new random().nextint(1024 * 1024)));
   }
 }
}
class picture{
  private byte[] pixels;
  public picture(int length){
    this.pixels = new byte[length];
 }
}