一个对象的前世今生

对象的诞生

本文讨论的对象，限于普通的Java对象，不包括数组，class对象等。
在Java中，当程序执行发现new的指令时，便会尝试着去创建一个对象。在创建之前，首先回去运行时常量池中检查，传给new指令的参数，也就是类名，是否能定位到它的符号引用。如果能定位到，则为新生对象分配内存，如果定位不到，就会执行类加载机制，类加载流程会在之后的文章中讨论。

内存划分方式

类加载检查通过之后，有两种给对象划分内存的方式，分别是：

• 指针碰撞（Bump The Pointer）
• 空闲列表（Free List）
  1.指针碰撞
  这种方式很好理解，在内存比较规整的情况下，虚拟机会找到当前内存分配的指针，然后在紧接着的一块内存中为这个对象分配相应的区域。
  2.空闲列表
  由于程序在运行时，会一直进行无引用对象的回收，如果GC在没有空间压缩整理的方式，这样会导致内存空间往往不是连续规整的。这时候，就需要维护一个列表，告知虚拟机哪些空间是可用的。当对象被分配内存的时候，需要查询空闲列表的内存地址以及内存大小，为对象分配相应的空间。

对比来说，指针碰撞的方式比空间列表效率高得多。一般的主流虚拟机使用的收集器都采用这种方式。

对象创建的同步

对象的创建在虚拟机中是非常频繁的，在并发情况下，采用指针碰撞的方式修改一个指针的位置是不安全的。在虚拟机中，常常采用CAS的方式来保持同步，对于CAS的解释，可以参照我的这篇文章。
JVM还提供了另一种方式来保持同步，即本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer），这种方式在线程创建对象的之前，为每个线程在堆中提供了一块内存，哪些线程需要创建对象，就在相对应的内存区域进行创建。设置TLAB的方式可以增加JVM参数-XX:+/-UserTLAB。

对象头的设置

在给对象分配完内存之后，JVM还需要设置对象头，对象头的数据结构如下图所示：

对象头

在对象头中包含两部分信息：
1.存储自身运行时的数据，如上图所示，hashCode，GC分代年龄，锁状态标志位，线程持有锁等等。这部分数据在32位机器和64位机器中分别是32bit和64bit。这部分数据也被官方称为“Mark Word”。
2.类型指针，通过该指针可以知道此对象属于哪个类。

Java初始化对象

在JVM的工作做完之后，才开始会执行Java中的对象创建工作，即执行构造函数。对应在类文件的<init>（）方法。

对象的死亡

一个对象的死亡可以说是曲折离奇。在JVM的世界中，程序计数器，虚拟机栈，本地方法栈随着线程的生命周期死去。每一个栈帧中分配多少内存在类结构确定下来的时候就是已知的，而堆中的内存分配是在运行时进行的，对于一个对象而言，它的生命周期结束是需要垃圾收集器管理的。

可达性分析算法

现代大多数虚拟机都抛弃了引用计数法去管理内存GC，而是使用可达性分析算法。

GC root

可达性分析算法，管理模型如上图所示，当于GC root断开连接的对象，会被告知回收。
在Java体系中，固定的可作为GC Roots的对象包括：

• 在虚拟机栈中引用的对象，方法栈中的参数，局部变量，临时变量等。
• 在方法区中类静态属性引用的对象，Java类的引用类型静态变量。
• 在方法区中常量引用对象，譬如字符串常量池的引用。
• 在本地方法栈中JNI引用的对象
• Java虚拟机内部的引用，如基本的数据类型对应的Class对象，一些异常对象，还有系统类加载器。
• 所有被同步锁持有的对象
• 反映Java虚拟机内部情况的JMXBean、JVMTI中注册的回调，本地代码缓存等。

垃圾回收算法

1.标记-清除算法
从GCRoot节点开始遍历，对存活的对象进行标记。然后对堆内存从头到尾进行线性遍历，回收不可达对象。但是这样会造成堆内存中存在很多碎片空间，可能无法为较大对象分配内存。
2.复制算法
把堆空间划分为两块，一块存放对象，一块空闲。每次将存活的对象复制到空闲内存块上，然后清空存放对象块的内存。这种算法可以很好的解决碎片化的问题，简单高效，但是这种算法只适合于对象存活率较低的情况，而且它付出了一半堆内存代价。
3.标记-整理算法
和标记-清除算法相似，先将存活的对象标记，清除的时候按照内存地址一次排列存活的对象，然后将末端内存地址回收。这样的代价比较高，但是很好的解决了空间碎片的问题，适合于对象存活较高的情况。
4.分代收集算法
这种算法是一套组合算法，为Java堆分配了不同的内存空间，执行不同的回收算法。如下图所示：

堆内存模型
在Java8之后，取消了永久代，只保留了年轻代和老年代内存划分。
年轻代由于对象存活率较低，所以常常使用复制算法，使用的GC是Mintor GC。老年代对象存活率高，所以使用标记整理算法，使用Full GC。

堆在大多数情况下，对象优先分配在Eden中，当Eden区域没有足够的空间进行分配的时候，虚拟机将发起一次Mintor GC，当虚拟机发现没有内存可以回收的时候，就会放入Survivor区域中，一般而言，Eden区域和两块Survivor中的区域内存占比是8：1：1，当Survivor中的空间还是不足的时候，就会让对象提前进入老年代。

对于普通对象而言，诞生于Eden区，扛过第一次Mintor GC便会进入Survivor区，之后每发生一次Mintor GC，如果对象还没被清楚就会在Survivor区的两块内存中相互轮换，每次轮换年龄都会加一，默认的年龄阶段是15，当超过这个值，对象就会被发配到老年代。对于特别大的对象（使用-XX：+PretenuerSizeThreshold设置阈值），超过阈值大小的内存，不会诞生于Eden区，而会被直接放入老年代。

老年代存放的是生命周期较长的对象。Full GC比Mintor GC慢很多，通常这个数字在10倍左右，但是Full GC的执行频率很低，有以下执行条件：

• 老年代空间不足
• 永久代空间不足（JDK 7及之前）
• Mintor GC晋升到老年代的平均大小大于老年代的剩余空间。
• 调用System.gc()
• 使用RMI来进行RPC管理JDK应用，每小时执行一次full GC

除此之外，当年轻代和老年代空间都满了的时候，会执行stop-the-world，它的作用是暂停出了gc线程之外的所有线程，等gc完成之后，在恢复工作区。设计者中有个笑话是“你妈妈在打扫你屋子的时候，会先让你乖乖坐在椅子上别在扔垃圾了。”，这样看来，这种设计还是很符合人之常情的。。当然在stop-the-world发生之前，工作线程会先停在一个safepoint，然后再去执行指令。
很多时候gc调优，其实就是减少stop-the-world发生的时间。

总结

我们看到一个对象的生命周期是很曲折的。但是本质上，其实和人生的意义是相似的，无非是“我从哪里来，要到哪里去”的哲学，不同的对象寓意了不同的人生百态，虚引用对象天生只能做个标记或者哨兵，软应用的使命可以作缓存，但是撑不过第一次GC，弱引用在该牺牲的时候还是会被牺牲掉。当然强引用也有不同的命运，有些从年轻代就被回收了，有些坚持到了老年代，有些厉害的出生便是老年代，更有一批力量可以stop-the-world。不同的对象，有各自的精彩，这既是对象的前世与今生。