Java对象的创建

说一下Java对象的创建过程，先上图
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1、类加载检查

虚拟机遇到⼀条 new 指令时，⾸先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到这个类的符号引⽤，并且检查这个符号引⽤代表的类是否已被加载过、解析和初始化过。如果没有，那必须先执⾏相应的类加载过程。

2、分配内存

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新⽣对象分配内存。对象所需的内存⼤⼩在类加载完成后便可确定，为对象分配空间的任务等同于把⼀块确定⼤⼩的内存从 Java 堆中划分出来。分配⽅式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种，选择哪种分配⽅式由 Java 堆是否规整决定，⽽ Java堆是否规整⼜由所采⽤的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

内存分配方式

  • 指针碰撞
    • 适用场合：堆内存规整（即没有内存碎片）的情况下
    • 原理：用过的内存全部整合到一边，没有用过的内存放在另一边，中间有一个分界值指针，只需要向着没用过的内存方向将该指针移动对象内存大小位置即可
    • GC收集器：Serial、ParNew
  • 空闲列表
    • 适用场合：堆内存不规整的情况下
    • 原理：虚拟机会维护一个列表，该列表中会记录哪些内存块是可用的，在分配的时候，找一块儿足够大的内存块儿来划分给对象实例（这一块儿可以类比memcached的slab模型），最后更新列表记录。
    • GC收集器：CMS

垃圾收集算法

选择以上两种⽅式中的哪⼀种，取决于 Java 堆内存是否规整。⽽ Java 堆内存是否规整，取决于GC 收集器的算法是”标记-清除”，还是”标记-整理”（也称作”标记-压缩”），值得注意的是，复制算法内存也是规整的。
下面介绍几种垃圾收集算法。

  • 标记-清除算法

该算法分为“标记”和“清除”阶段：⾸先标记出所有不需要回收的对象，在标记完成后统⼀回收掉所有没有被标记的对象。它是最基础的收集算法，后续的算法都是对其不⾜进⾏改进得到。这种垃圾收集算法会带来两个明显的问题：效率问题、空间问题（标记清除后会产⽣⼤量不连续的碎⽚）
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  • 复制算法

为了解决效率问题，“复制”收集算法出现了。它可以将内存分为⼤⼩相同的两块，每次使⽤其中的⼀块。当这⼀块的内存使⽤完后，就将还存活的对象复制到另⼀块去，然后再把使⽤的空间⼀次清理掉。这样就使每次的内存回收都是对内存区间的⼀半进⾏回收。
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  • 标记-整理算法

根据⽼年代的特点提出的⼀种标记算法，标记过程仍然与“标记-清除”算法⼀样，但后续步骤不是直接对可回收对象回收，⽽是让所有存活的对象向⼀端移动，然后直接清理掉端边界以外的内存。
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  • 分代收集算法

当前虚拟机的垃圾收集都采⽤分代收集算法，这种算法没有什么新的思想，只是根据对象存活周期的不同将内存分为⼏块。⼀般将 java 堆分为新⽣代和⽼年代，这样我们就可以根据各个年代的特点选择合适的垃圾收集算法。
⽐如在新⽣代中，每次收集都会有⼤量对象死去，所以可以选择复制算法，只需要付出少量对象的复制成本就可以完成每次垃圾收集。⽽⽼年代的对象存活⼏率是⽐较⾼的，⽽且没有额外的空间对它进⾏分配担保，所以我们必须选择“标记-清除”或“标记-整理”算法进⾏垃圾收集。

保证线程安全

在创建对象的时候有⼀个很重要的问题，就是线程安全，因为在实际开发过程中，创建对象是很频繁的事情，作为虚拟机来说，必须要保证线程是安全的，通常来讲，虚拟机采⽤两种⽅式来保证线程安全：

  • CAS+失败重试： CAS 是乐观锁的⼀种实现⽅式。所谓乐观锁就是，每次不加锁⽽是假设没有冲突⽽去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为⽌。虚拟机采⽤ CAS配上失败重试的⽅式保证更新操作的原⼦性。
  • TLAB： 为每⼀个线程预先在 Eden 区分配⼀块⼉内存，JVM 在给线程中的对象分配内存时，⾸先在 TLAB 分配，当对象⼤于 TLAB 中的剩余内存或 TLAB 的内存已⽤尽时，再采⽤上述的 CAS 进⾏内存分配

3、初始化零值

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这⼀步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使⽤，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

4、设置对象头

初始化零值完成之后，虚拟机要对对象进⾏必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的 GC 分代年龄等信息。 这些信息存放在对象头中。 另外，根据虚拟机当前运⾏状态的不同，如是否启⽤偏向锁等，对象头会有不同的设置⽅式。

5、执行init方法

在上⾯⼯作都完成之后，从虚拟机的视⻆来看，⼀个新的对象已经产⽣了，但从 Java 程序的视⻆来看，对象创建才刚开始， <init>⽅法还没有执⾏，所有的字段都还为零。所以⼀般来说，执⾏ new 指令之后会接着执⾏<init>⽅法，把对象按照程序员的意愿进⾏初始化，这样⼀个真正可⽤的对象才算完全产⽣出来。

Java对象的访问

建⽴对象就是为了使⽤对象，我们的Java程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问⽅式有虚拟机实现⽽定，⽬前主流的访问⽅式有①使⽤句柄和②直接指针两种。

  • 句柄：如果使⽤句柄的话，那么Java堆中将会划分出⼀块内存来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，⽽句柄中包含了对象实例数据与类型数据各⾃的具体地址信息；

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  • 直接指针：如果使⽤直接指针访问，那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，⽽reference 中存储的直接就是对象的地址

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这两种对象访问⽅式各有优势。使⽤句柄来访问的最⼤好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，⽽ reference 本身不需要修改。使⽤直接指针访问⽅式最⼤的好处就是速度快，它节省了⼀次指针定位的时间开销。

判断对象是否死亡

堆中⼏乎放着所有的对象实例，对堆垃圾回收前的第⼀步就是要判断哪些对象已经死亡（即不能再被任何途径使⽤的对象）

引用计数法

给对象中添加⼀个引⽤计数器，每当有⼀个地⽅引⽤它，计数器就加1；当引⽤失效，计数器就减1；任何时候计数器为0的对象就是不可能再被使⽤的

可达性分析算法

这个算法的基本思想就是通过⼀系列的称为 “GC Roots” 的对象作为起点，从这些节点开始向下搜索，节点所⾛过的路径称为引⽤链，当⼀个对象到 GC Roots 没有任何引⽤链相连的话，则证明此对象是不可⽤的。
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对象的引用

⽆论是通过引⽤计数法判断对象引⽤数量，还是通过可达性分析法判断对象的引⽤链是否可达，判定对象的存活都与“引⽤”有关
JDK1.2之前，Java中引⽤的定义很传统：如果reference类型的数据存储的数值代表的是另⼀块内存的起始地址，就称这块内存代表⼀个引⽤
JDK1.2以后，Java对引⽤的概念进⾏了扩充，将引⽤分为强引⽤、软引⽤、弱引⽤、虚引⽤四种（引⽤强度逐渐减弱）

强引用（StrongReference）

以前我们使⽤的⼤部分引⽤实际上都是强引⽤，这是使⽤最普遍的引⽤。如果⼀个对象具有强引⽤，那就类似于必不可少的⽣活⽤品，垃圾回收器绝不会回收它。当内存空 间不⾜，Java虚拟机宁愿抛出OutOfMemoryError错误，使程序异常终⽌，也不会靠随意回收具有强引⽤的对象来解决内存不⾜问题。

软引用（SoftReference）

如果⼀个对象只具有软引⽤，那就类似于可有可⽆的⽣活⽤品。如果内存空间⾜够，垃圾回收器就不会回收它，如果内存空间不⾜了，就会回收这些对象的内存。只要垃圾回收器没有回收它，该对象就可以被程序使⽤。软引⽤可⽤来实现内存敏感的⾼速缓存。
软引⽤可以和⼀个引⽤队列（ReferenceQueue）联合使⽤，如果软引⽤所引⽤的对象被垃圾回收，JAVA虚拟机就会把这个软引⽤加⼊到与之关联的引⽤队列中。

弱引用（WeakReference）

如果⼀个对象只具有弱引⽤，那就类似于可有可⽆的⽣活⽤品。弱引⽤与软引⽤的区别在于：只具有弱引⽤的对象拥有更短暂的⽣命周期。在垃圾回收器线程扫描它所管辖的内存区域的过程中，⼀旦发现了只具有弱引⽤的对象，不管当前内存空间⾜够与否，都会回收它的内存。不过，由于垃圾回收器是⼀个优先级很低的线程， 因此不⼀定会很快发现那些只具有弱引⽤的对象。
弱引⽤可以和⼀个引⽤队列（ReferenceQueue）联合使⽤，如果弱引⽤所引⽤的对象被垃圾回收，Java虚拟机就会把这个弱引⽤加⼊到与之关联的引⽤队列中。

虚引用（PhantomReference）

“虚引⽤”顾名思义，就是形同虚设，与其他⼏种引⽤都不同，虚引⽤并不会决定对象的⽣命周期。如果⼀个对象仅持有虚引⽤，那么它就和没有任何引⽤⼀样，在任何时候都可能被垃圾回收。
虚引⽤主要⽤来跟踪对象被垃圾回收的活动。
虚引⽤与软引⽤和弱引⽤的⼀个区别在于： 虚引⽤必须和引⽤队列（ReferenceQueue）联合使⽤。当垃圾回收器准备回收⼀个对象时，如果发现它还有虚引⽤，就会在回收对象的内存之前，把这个虚引⽤加⼊到与之关联的引⽤队列中。程序可以通过判断引⽤队列中是否已经加⼊了虚引⽤，来了解被引⽤的对象是否将要被垃圾回收。程序如果发现某个虚引⽤已经被加⼊到引⽤队列，那么就可以在所引⽤的对象的内存被回收之前采取必要的⾏动。
特别注意，在程序设计中⼀般很少使⽤弱引⽤与虚引⽤，使⽤软引⽤的情况᫾多，这是因为软引⽤可以加速JVM对垃圾内存的回收速度，可以维护系统的运⾏安全，防⽌内存溢出（OutOfMemory）等问题的产⽣。

废弃常量

运⾏时常量池主要回收的是废弃的常量。那么，我们如何判断⼀个常量是废弃常量呢？
假如在常量池中存在字符串 “abc”，如果当前没有任何String对象引⽤该字符串常量的话，就说明常量 “abc” 就是废弃常量，如果这时发⽣内存回收的话⽽且有必要的话，”abc” 就会被系统清理出常量池。

无用的类

⽅法区主要回收的是⽆⽤的类，那么如何判断⼀个类是⽆⽤的类的呢？
判定⼀个常量是否是“废弃常量”⽐᫾简单，⽽要判定⼀个类是否是“⽆⽤的类”的条件则相对苛刻许多。类需要同时满⾜下⾯ 3 个条件才能算是 “⽆⽤的类” ：

  • 该类所有的实例都已经被回收，也就是 Java 堆中不存在该类及其任何派生子类的实例。
  • 加载该类的类加载器 ClassLoader 已经被回收。
  • 该类对应的 java.lang.Class 对象没有在任何地⽅被引⽤，⽆法在任何地⽅通过反射访问该类的⽅法。

虚拟机可以对满⾜上述 3 个条件的⽆⽤类进⾏回收，这⾥说的仅仅是“可以”，⽽并不是和对象⼀样不使⽤了就会必然被回收。

垃圾回收器

如果说收集算法是内存回收的方法论，那么垃圾收集器就是内存回收的具体实现，常见的垃圾收集器有Serial收集器、ParNew收集器、ParallelScavenge收集器、CMS收集器、G1收集器。
虽然我们对各个收集器进⾏⽐᫾，但并⾮要挑选出⼀个最好的收集器。因为知道现在为⽌还没有最好的垃圾收集器出现，更加没有万能的垃圾收集器，我们能做的就是根据具体应⽤场景选择适合⾃⼰的垃圾收集器。试想⼀下：如果有⼀种四海之内、任何场景下都适⽤的完美收集器存在，那么 HotSpot 虚拟机就不会实现那么多不同的垃圾收集器了。

Serial收集器

Serial（串⾏）收集器是最基本、历史最悠久的垃圾收集器了。⼤家看名字就知道这个收集器是⼀个单线程收集器了。它的 “单线程” 的意义不仅仅意味着它只会使⽤⼀条垃圾收集线程去完成垃圾收集⼯作，更重要的是它在进⾏垃圾收集⼯作的时候必须暂停其他所有的⼯作线程（ “Stop The World” ），直到它收集结束。
新⽣代采⽤复制算法，⽼年代采⽤标记-整理算法。
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虚拟机的设计者们当然知道 Stop The World 带来的不良⽤户体验，所以在后续的垃圾收集器设计中停顿时间在不断缩短（仍然还有停顿，寻找最优秀的垃圾收集器的过程仍然在继续）。
但是 Serial 收集器有没有优于其他垃圾收集器的地⽅呢？当然有，它简单⽽⾼效（与其他收集器的单线程相⽐）。Serial 收集器由于没有线程交互的开销，⾃然可以获得很⾼的单线程收集效率。Serial 收集器对于运⾏在 Client 模式下的虚拟机来说是个不错的选择。

ParNew收集器

ParNew 收集器其实就是 Serial 收集器的多线程版本，除了使⽤多线程进⾏垃圾收集外，其余⾏为（控制参数、收集算法、回收策略等等）和 Serial 收集器完全⼀样。
新⽣代采⽤复制算法，⽼年代采⽤标记-整理算法。
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它是许多运⾏在 Server 模式下的虚拟机的⾸要选择，除了 Serial 收集器外，只有它能与 CMS 收集器（真正意义上的并发收集器，后⾯会介绍到）配合⼯作。
并⾏和并发概念补充：

  • 并⾏（Parallel） ：指多条垃圾收集线程并⾏⼯作，但此时⽤户线程仍然处于等待状态。

  • 并发（Concurrent）：指⽤户线程与垃圾收集线程同时执⾏（但不⼀定是并⾏，可能会交替执⾏），⽤户程序在继续运⾏，⽽垃圾收集器运⾏在另⼀个 CPU 上。

    ParallelScavenge收集器

    Parallel Scavenge 收集器也是使⽤复制算法的多线程收集器，它看上去⼏乎和 ParNew 都⼀样。
    Parallel Scavenge 收集器关注点是吞吐量（⾼效率的利⽤ CPU）。CMS 等垃圾收集器的关注点更多的是⽤户线程的停顿时间（提⾼⽤户体验）。所谓吞吐量就是 CPU 中⽤于运⾏⽤户代码的时间与 CPU 总消耗时间的⽐值。 Parallel Scavenge 收集器提供了很多参数供⽤户找到最合适的停顿时间或最⼤吞吐量，如果对于收集器运作不太了解，⼿⼯优化存在困难的时候，使⽤Parallel Scavenge 收集器配合⾃适应调节策略，把内存管理优化交给虚拟机去完成也是⼀个不错的选择。
    新⽣代采⽤复制算法，⽼年代采⽤标记-整理算法。这是 JDK1.8 默认收集器。
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    JDK1.8 默认使⽤的是 Parallel Scavenge + Parallel Old，使用java -XX:+PrintCommandLineFlags -version命令查看。如果指定了-XX:+UseParallelGC 参数，则默认指定了-XX:+UseParallelOldGC，可以使⽤-XX:-UseParallelOldGC 来禁⽤该功能

    CMS收集器

    CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是⼀种以获取最短回收停顿时间为⽬标的收集器。它⾮常符合在注重⽤户体验的应⽤上使⽤。
    CMS（Concurrent Mark Sweep）收集器是 HotSpot 虚拟机第⼀款真正意义上的并发收集器，它第⼀次实现了让垃圾收集线程与⽤户线程（基本上）同时⼯作。从名字中的Mark Sweep这两个词可以看出，CMS 收集器是⼀种 “标记-清除”算法实现的，它的运作过程相⽐于前⾯⼏种垃圾收集器来说更加复杂⼀些。整个过程分为四个步骤：

  • 初始标记： 暂停所有的其他线程，并记录下直接与 root 相连的对象，速度很快 ；

  • 并发标记： 同时开启 GC 和⽤户线程，⽤⼀个闭包结构去记录可达对象。但在这个阶段结束，这个闭包结构并不能保证包含当前所有的可达对象。因为⽤户线程可能会不断的更新引⽤域，所以 GC 线程⽆法保证可达性分析的实时性。所以这个算法⾥会跟踪记录这些发⽣引⽤更新的地⽅。
  • 重新标记： 重新标记阶段就是为了修正并发标记期间因为⽤户程序继续运⾏⽽导致标记产⽣变动的那⼀部分对象的标记记录，这个阶段的停顿时间⼀般会⽐初始标记阶段的时间稍⻓，远远⽐并发标记阶段时间短
  • 并发清除： 开启⽤户线程，同时 GC 线程开始对未标记的区域做清扫。

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从它的名字就可以看出它是⼀款优秀的垃圾收集器，主要优点：并发收集、低停顿。但是它有下⾯三个明显的缺点：

  • 对 CPU 资源敏感；
  • ⽆法处理浮动垃圾；

  • 它使⽤的回收算法-“标记-清除”算法会导致收集结束时会有⼤量空间碎⽚产⽣。

    G1收集器

    G1 (Garbage-First) 是⼀款⾯向服务器的垃圾收集器，主要针对配备多颗处理器及⼤容量内存的机器。以极⾼概率满⾜ GC 停顿时间要求的同时，还具备⾼吞吐量性能特征。被视为 JDK1.7 中 HotSpot 虚拟机的⼀个重要进化特征。它具备⼀下特点：

  • 并⾏与并发：G1 能充分利⽤ CPU、多核环境下的硬件优势，使⽤多个 CPU（CPU 或者CPU 核⼼）来缩短 Stop-The-World 停顿时间。部分其他收集器原本需要停顿 Java 线程执⾏的 GC 动作，G1 收集器仍然可以通过并发的⽅式让 java 程序继续执⾏。

  • 分代收集：虽然 G1 可以不需要其他收集器配合就能独⽴管理整个 GC 堆，但是还是保留了分代的概念。
  • 空间整合：与 CMS 的“标记—清理”算法不同，G1 从整体来看是基于“标记整理”算法实现的收集器；从局部上来看是基于“复制”算法实现的。
  • 可预测的停顿：这是 G1 相对于 CMS 的另⼀个⼤优势，降低停顿时间是 G1 和 CMS 共同的关注点，但 G1 除了追求低停顿外，还能建⽴可预测的停顿时间模型，能让使⽤者明确指定在⼀个⻓度为 M 毫秒的时间⽚段内。

G1 收集器的运作⼤致分为以下⼏个步骤：

  • 初始标记
  • 并发标记
  • 最终标记
  • 筛选回收

G1 收集器在后台维护了⼀个优先列表，每次根据允许的收集时间，优先选择回收价值最⼤的Region(这也就是它的名字 Garbage-First 的由来)。这种使⽤ Region 划分内存空间以及有优先级的区域回收⽅式，保证了 G1 收集器在有限时间内可以尽可能⾼的收集效率（把内存化整为零）。