热门标签 | HotTags
当前位置:  开发笔记 > 编程语言 > 正文

JavaGC详解1.最全面的理解Java对象结构对象指针OOPs

java,gc,详解,1,最,全面,的,理解,java,对象,结构,

最近在抽时间阅读 JDK 的源码,主要是 GC 还有 Safepoint 相关的源码,发现很多我在之前拜读网上各种 JVM 原理大作时候由于没有看源码导致我对于底层原理的误解。果然,一百个人读水浒传,就有一百种水浒传。还是需要更加深入的了解下源码,才能更好地理解 JVM,进行调优。这个系列,将在讲述 Java GC 各种原理的基础上,结合对应的源码分析,并附上源码地址。因为JVM的源码更新还是很快的,尤其是 GC 这一块,但是基本原理,应该大体不会变,附上源码地址,旨在让各位读者掌握这些原理最新实现情况。本文在撰写的时候,会紧跟最新版本的 JDK。

GC(Garbage Collection) 是目前很多编程语言自带的特性,例如Java,Python;GC是一个很好的特性,能让使用这个语言编程的程序员不去关心内存回收,并且降低内存泄漏和内存溢出发生的概率。

了解Java GC,需要先知道 Java 最基础的对象在内存中究竟是如何存储的。我们专注于 HotSpot 虚拟机实现,来详细阐述对象存储结构。首先我们来了解一个概念,对象指针(OOPs,Ordinary Object Pointers), 也就是对象头的主要部分。

1. 对象指针(OOPs,Ordinary Object Pointers)

对象指针的实现,可以参考oop.hpp:

class oopDesc { private: volatile markWord _mark; union _metadata { Klass* _klass; narrowKlass _compressed_klass; } _metadata; } 

从源代码可以简单看出,对象指针包括:

1.标记字(Mark Word): 一组标记,描述了对象的状态,包括对象默认哈希值(如果没有覆盖默认的 hashcode() 方法,则哈希值在 hashcode() 方法被调用之后,会被记录到标记字之中)、对象的形状(是否是数组)、锁状态(偏向锁等锁信息,值得一提的是偏向锁在 Java 15 中废弃:Disable and Deprecate Biased Locking)、数组长度(如果标记显示这个对象是数组,描述了数组的长度)。标记字的实现仅仅包含一个uintptr_t类型,所以,在 32 位和 64 位虚拟机上面,大小分别是 4 字节和 8 字节。可以参考源码: markWord.hpp。我们这里只讨论 64 位的 JVM,也就是标记字为 8 字节的情况。

class markWord { private: uintptr_t _value; } 

2.类型字(Class Word): 类型字是指向对象实现的 Class 的指针。Java 7 之前指向的区域位于持久带(Permanent Generation),Java 8 之后,持久带废弃,引入了元数据区的概念(Metaspace),所以Java 8 之后指向的是这个元数据区。

这个指针可能是被压缩的,就是压缩指针(Compressed OOPs)。当开启对象压缩时占用4字节(JVM默认开启),关闭时占用8字节

1.1. 标记字的具体结构

对于 64 位的虚拟机环境,标记字大小是 8 字节。先给出标记字结构:

image (上图来自于:https://www.cnblogs.com/helloworldcode/p/11914053.html)

我们先来通过 jol (Java Object Layout) 工具,以及接下来的几个实例,来逐步看一下每种状态下的标记字结构。加入依赖:

  org.openjdk.jol jol-core 0.13  

1.1.1. 哈希值计算几次?去哪里找哈希值?

如果类没有覆盖hashcode(),那么实现hashcode()的是一个native方法。

@HotSpotIntrinsicCandidate public native int hashCode(); 

具体的实现参考源码synchronizer.cpp

intptr_t ObjectSynchronizer::FastHashCode(Thread* self, oop obj) { //如果启用了偏向锁特性 if (UseBiasedLocking) { //如果正处于偏向锁 if (obj->mark().has_bias_pattern()) { //取消偏向锁,不会再处于偏向锁状态,并且在下次获取锁的时候,直接从轻量锁开始 Handle hobj(self, obj); if (SafepointSynchronize::is_at_safepoint()) { BiasedLocking::revoke_at_safepoint(hobj); } else { BiasedLocking::revoke(hobj, self); } obj = hobj(); assert(!obj->mark().has_bias_pattern(), "biases should be revoked by now"); } } while (true) { ObjectMonitor* mOnitor= NULL; markWord temp, test; intptr_t hash; markWord mark = read_stable_mark(obj); // 不能处于偏向锁状态 assert(!mark.has_bias_pattern(), "invariant"); // 未处于任何锁状态的一般状态 if (mark.is_neutral()) { hash = mark.hash(); if (hash != 0) { // 如果已经计算过哈希值,直接返回 return hash; } hash = get_next_hash(self, obj); // 否则,计算一个新的哈希值,这个方法的详细分析在另一篇文章 temp = mark.copy_set_hash(hash); // 设置哈希值 test = obj->cas_set_mark(temp, mark); //更新为设置成功 if (test == mark) { // 如果更新成功,则返回 return hash; } //如果设置失败,可能发生了锁膨胀,或者是多线程同时调用了hashcode方法,循环重新尝试 } else if (mark.has_monitor()) { //如果处于重量级锁状态 //获取对应的monitor对象 mOnitor= mark.monitor(); //获取其header temp = monitor->header(); assert(temp.is_neutral(), "invariant: header=" INTPTR_FORMAT, temp.value()); //查看header中的hashcode hash = temp.hash(); //若monitor中有哈希值,并且没有发生异步monitor降级(Async Monitor Deflation),就使用这个哈希值 //异步monitor降级(Async Monitor Deflation),请参考:https://wiki.openjdk.java.net/display/HotSpot/Async+Monitor+Deflation,这是在 Java 15 之后开始引入的新特性 if (hash != 0) { // It has a hash. // Separate load of dmw/header above from the loads in // is_being_async_deflated(). if (support_IRIW_for_not_multiple_copy_atomic_cpu) { // A non-multiple copy atomic (nMCA) machine needs a bigger // hammer to separate the load above and the loads below. OrderAccess::fence(); } else { OrderAccess::loadload(); } if (monitor->is_being_async_deflated()) { // But we can't safely use the hash if we detect that async // deflation has occurred. So we attempt to restore the // header/dmw to the object's header so that we only retry // once if the deflater thread happens to be slow. monitor->install_displaced_markword_in_object(obj); continue; } return hash; } } else if (self->is_lock_owned((address)mark.locker())) { //如果处于轻量锁状态,读取指向锁记录的指针,获取其中的哈希值 temp = mark.displaced_mark_helper(); assert(temp.is_neutral(), "invariant: header=" INTPTR_FORMAT, temp.value()); hash = temp.hash(); if (hash != 0) { // if it has a hash, just return it return hash; } } //不处于以上状态或者处于以上锁状态之前,没有计算过哈希值,则直接膨胀锁到重量级锁 mOnitor= inflate(self, obj, inflate_cause_hash_code); //查看是否已经有其他线程计算过哈希值 mark = monitor->header(); assert(mark.is_neutral(), "invariant: header=" INTPTR_FORMAT, mark.value()); hash = mark.hash(); //如果没有,则在这里计算,并设置 if (hash == 0) { // if it does not have a hash hash = get_next_hash(self, obj); // get a new hash temp = mark.copy_set_hash(hash); // merge the hash into header assert(temp.is_neutral(), "invariant: header=" INTPTR_FORMAT, temp.value()); uintptr_t v = Atomic::cmpxchg((volatile uintptr_t*)monitor->header_addr(), mark.value(), temp.value()); test = markWord(v); //设置失败,则有其他线程已经设置,尝试读取 if (test != mark) { // The attempt to update the ObjectMonitor's header/dmw field // did not work. This can happen if another thread managed to // merge in the hash just before our cmpxchg(). // If we add any new usages of the header/dmw field, this code // will need to be updated. hash = test.hash(); assert(test.is_neutral(), "invariant: header=" INTPTR_FORMAT, test.value()); assert(hash != 0, "should only have lost the race to a thread that set a non-zero hash"); } //如果有发生异步monitor降级(Async Monitor Deflation),跳过,重新判断 //异步monitor降级(Async Monitor Deflation),请参考:https://wiki.openjdk.java.net/display/HotSpot/Async+Monitor+Deflation,这是在 Java 15 之后开始引入的新特性 if (monitor->is_being_async_deflated()) { // If we detect that async deflation has occurred, then we // attempt to restore the header/dmw to the object's header // so that we only retry once if the deflater thread happens // to be slow. monitor->install_displaced_markword_in_object(obj); continue; } } // We finally get the hash. return hash; } } 

可以看出,hashcode:

  1. 尽量只计算一次,计算出后,对于无锁对象,保存在对象标记字 Markword 中。
  2. 处于各种锁状态的话(除了偏向锁),都会修改并占用 Markword 导致需要其他地方缓存计算好的 hashcode,对于重量锁是对应的 Monitor 中保存,对于轻量锁是所指向的锁记录的指针中保存。
  3. 对于偏向锁,由于没法哈希值,所以只要计算过哈希值,就不会再进入偏向锁的状态,而是直接从轻量锁开始
  4. 对于 JDK 15 之后引入的异步 Monitor 降级(Async Monitor Deflation),需要在这个过程完成或者未开始的时候读取 monitor对象的 hashcode 缓存。对于这个特性的详细说明,可以参考:Async Monitor Deflation

哈希值的具体计算,根据全局变量hashcode的值决定计算方式(通过-XX:hashCode=设定)。默认的哈希值计算,是hashcode=5 的情况,不同情况的计算方式的详细说明,如果感兴趣,可以参考:JDK核心JAVA源码解析(9) - hashcode 方法

我们来通过一段代码以及输出来看看这些特性

public static void main(String[] args) throws Exception { A a = new A(); B b = new B(); System.out.println("------After Initialization------\n" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable() + "\n" + ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable()); System.out.println("a.hashcode: " + a.hashCode()); System.out.println("b.hashcode: " + b.hashCode()); System.out.println("------After call hashcode------\n" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable() + "\n" + ClassLayout.parseInstance(b).toPrintable()); } //A没有覆盖默认的 hashcode 方法 public static class A { long d; } //B覆盖了 hashcode 方法 public static class B { long d; @Override public int hashCode() { return (int) 5555; } } 

输出:

------After Initialization------ com.hashjang.jdk.TestObjectAlign$A object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 49 ce 00 20 (01001001 11001110 00000000 00100000) (536923721) 12 4 (alignment/padding gap) 16 8 long A.d 0 Instance size: 24 bytes Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total com.hashjang.jdk.TestObjectAlign$B object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 8a ce 00 20 (10001010 11001110 00000000 00100000) (536923786) 12 4 (alignment/padding gap) 16 8 long B.d 0 Instance size: 24 bytes Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total a.hashcode: 2124046270 b.hashcode: 5555 ------After call hashcode------ com.hashjang.jdk.TestObjectAlign$A object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 01 be 5f 9a (00000001 10111110 01011111 10011010) (-1705001471) 4 4 (object header) 7e 00 00 00 (01111110 00000000 00000000 00000000) (126) 8 4 (object header) 49 ce 00 20 (01001001 11001110 00000000 00100000) (536923721) 12 4 (alignment/padding gap) 16 8 long A.d 0 Instance size: 24 bytes Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total com.hashjang.jdk.TestObjectAlign$B object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 8a ce 00 20 (10001010 11001110 00000000 00100000) (536923786) 12 4 (alignment/padding gap) 16 8 long B.d 0 Instance size: 24 bytes Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total 

可以看出,对于未覆盖hashcode()方法的 A 类,调用hashcode()之后,哈希值存在了对象头。哈希值为 2124046270,转换为二进制为:1111110 10011010 01011111 10111110。由于 Windows 系统中为小端存储,所以打印出来的 Header 是反过来的,可以看到这个哈希值就存储在 Header 中:

00000001 10111110 01011111 10011010 01111110 00000000 00000000 00000000

其他特性,将在接下来的 1.1.3. 偏向锁,轻量锁,重量锁 这一小节详细说明

1.1.2. 分代年龄

对象头中的分代年龄,用于分代 GC。分代 GC 我们在后面的章节会详细讲述,这里只是看一些特性。

记录分代年龄一共 4 bit,所以最大为 2^4 - 1 = 15。所以配置最大分代年龄-XX:MaxTenuringThreshold=n这个n不能大于15,当然也不能小于 0.等于 0 的话,就直接入老年代。等于 16 的话,就是从不进入老年代,这样不符合JVM规范,所以不能大于15(感谢 CSDN @JonsonJiao 指正)。默认是 15。

在发生 Young GC,更准确地说是在 Survivor 区复制的时候,存活的对象的分代年龄会加1。我们编写程序测试下,由于 编译器会优化代码,同时调用System.gc()并不是立刻触发 GC,并且是 Full GC,可能会使对象直接进入老年代,分代年龄不再增长,所以我们可以使用 volatile 属性辅助我们真正创建对象,避免编译器优化:

static volatile Object consumer; public static void main(String[] args) throws Exception { //这是我们要观察的对象 Object instance = new Object(); long lastAddr = VM.current().addressOf(instance); for (int i = 0; i <10000; i++) { //查看地址是否发生了变化,代表是否发生了 Survivor 复制,或者是移动到老年代 long currentAddr = VM.current().addressOf(instance); if (currentAddr != lastAddr) { //地址发生变化的时候,打印对象结构 ClassLayout layout = ClassLayout.parseInstance(instance); System.out.println(layout.toPrintable()); lastAddr = currentAddr; } for (int j = 0; j <10000; j++) { //一直创建新对象 //因为是volatile的属性更新,不会被编译器优化 cOnsumer= new Object(); } } } 

可以配合 GC 日志一起观察,关于 JVM 日志配置可以参考这篇文章:OpenJDK 11 JVM日志相关参数解析与使用

首先我们用这个参数运行程序-Xmx128m -Xlog:gc=info,输出:

[0.016s][info][gc] Using G1 # WARNING: Unable to get Instrumentation. Dynamic Attach failed. You may add this JAR as -javaagent manually, or supply -Djdk.attach.allowAttachSelf [2.540s][info][gc] GC(0) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 24M->1M(128M) 2.600ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 0d 00 00 00 (00001101 00000000 00000000 00000000) (13) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [2.627s][info][gc] GC(1) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.273ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 15 00 00 00 (00010101 00000000 00000000 00000000) (21) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [2.675s][info][gc] GC(2) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.063ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 1d 00 00 00 (00011101 00000000 00000000 00000000) (29) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [2.724s][info][gc] GC(3) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.068ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 25 00 00 00 (00100101 00000000 00000000 00000000) (37) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [2.772s][info][gc] GC(4) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.212ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 2d 00 00 00 (00101101 00000000 00000000 00000000) (45) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [2.821s][info][gc] GC(5) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.202ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 35 00 00 00 (00110101 00000000 00000000 00000000) (53) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [2.869s][info][gc] GC(6) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.143ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 3d 00 00 00 (00111101 00000000 00000000 00000000) (61) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [2.917s][info][gc] GC(7) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.313ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 45 00 00 00 (01000101 00000000 00000000 00000000) (69) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [2.969s][info][gc] GC(8) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.473ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 4d 00 00 00 (01001101 00000000 00000000 00000000) (77) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [3.021s][info][gc] GC(9) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.283ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 55 00 00 00 (01010101 00000000 00000000 00000000) (85) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [3.072s][info][gc] GC(10) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.648ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 5d 00 00 00 (01011101 00000000 00000000 00000000) (93) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [3.122s][info][gc] GC(11) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.585ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 65 00 00 00 (01100101 00000000 00000000 00000000) (101) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [3.173s][info][gc] GC(12) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.130ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 6d 00 00 00 (01101101 00000000 00000000 00000000) (109) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [3.224s][info][gc] GC(13) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.078ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 75 00 00 00 (01110101 00000000 00000000 00000000) (117) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [3.273s][info][gc] GC(14) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.135ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 7d 00 00 00 (01111101 00000000 00000000 00000000) (125) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [3.322s][info][gc] GC(15) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 75M->1M(128M) 2.467ms java.lang.Object object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 7d 00 00 00 (01111101 00000000 00000000 00000000) (125) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 00 02 00 20 (00000000 00000010 00000000 00100000) (536871424) 12 4 (loss due to the next object alignment) Instance size: 16 bytes Space losses: 0 bytes internal + 4 bytes external = 4 bytes total [3.404s][info][gc] GC(16) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 76M->1M(128M) 0.556ms [3.485s][info][gc] GC(17) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 76M->1M(128M) 0.303ms [3.566s][info][gc] GC(18) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 76M->1M(128M) 0.288ms [3.647s][info][gc] GC(19) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 76M->1M(128M) 0.317ms [3.727s][info][gc] GC(20) Pause Young (Normal) (G1 Evacuation Pause) 76M->1M(128M) 0.286ms 

可以看到,在第 15 次 GC 的时候,对象进入了老年代,内存地址不再随着 Young GC 的进行而变化。

各位读者可以将-XX:MaxTenuringThreshold=设置为 0 和 16 看看效果

1.1.3. 偏向锁,轻量锁,重量锁

我们来编写测试代码:

A a = new A(); System.out.println("------After Initialization------\n" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); //偏向锁 synchronized (a) { System.out.println("------After Fetched Lock------\n" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); } System.out.println("------After Released Lock------\n" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); System.out.println("a.hashcode: " + a.hashCode()); System.out.println("------After call hashcode------\n" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); //由于调用了 hashcode,这里直接升级成为轻量锁 synchronized (a) { System.out.println("------After Fetched Lock------\n" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); } System.out.println("------After Released Lock------\n" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); //测试重量级锁 Runnable r = () -> { synchronized (a) { System.out.println("------After " + Thread.currentThread() + " lock is fetched------\n" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } } }; Thread [] threads = new Thread[2]; for (int i = 0; i 

输出为(我们这里省略掉我们不关心的输出):

------After Initialization------ OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) ------After Fetched Lock------ OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 05 90 8a 5e (00000101 10010000 10001010 01011110) (1586139141) 4 4 (object header) c7 02 00 00 (11000111 00000010 00000000 00000000) (711) ------After Released Lock------ OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 05 90 8a 5e (00000101 10010000 10001010 01011110) (1586139141) 4 4 (object header) c7 02 00 00 (11000111 00000010 00000000 00000000) (711) a.hashcode: 929776179 ------After call hashcode------ OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 01 33 42 6b (00000001 00110011 01000010 01101011) (1799500545) 4 4 (object header) 37 00 00 00 (00110111 00000000 00000000 00000000) (55) ------After Fetched Lock------ OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 78 f2 0f 53 (01111000 11110010 00001111 01010011) (1393554040) 4 4 (object header) ee 00 00 00 (11101110 00000000 00000000 00000000) (238) ------After Released Lock------ OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 01 33 42 6b (00000001 00110011 01000010 01101011) (1799500545) 4 4 (object header) 37 00 00 00 (00110111 00000000 00000000 00000000) (55) ------After Thread[Thread-0,5,main] lock is fetched------ OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 02 3e e0 b0 (00000010 00111110 11100000 10110000) (-1327481342) 4 4 (object header) 69 02 00 00 (01101001 00000010 00000000 00000000) (617) ------After Thread[Thread-1,5,main] lock is fetched------ OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 02 3e e0 b0 (00000010 00111110 11100000 10110000) (-1327481342) 4 4 (object header) 69 02 00 00 (01101001 00000010 00000000 00000000) (617) ------After Released Lock------ OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 02 3e e0 b0 (00000010 00111110 11100000 10110000) (-1327481342) 4 4 (object header) 69 02 00 00 (01101001 00000010 00000000 00000000) (617) 

我们这里通过第一字节 8 位的末尾两位判断锁状态:

  • 创建对象后,初始为无锁状态:第一字节为00000101,01 代表处于无锁状态。同时,偏向锁是开启状态,因为00000101,倒数第三位为1,这个根据前面的结构图可以知道是偏向锁标记。
  • 第一次 main 线程获取锁,由于没有争抢,同时启动参数中也没有关闭偏向锁,采用偏向锁:第一字节为00000101,代表处于偏向锁状态,后面保存的是指向线程的指针。
  • 第一次 main 线程释放锁,由于没有其他争抢,保持这个偏向锁状态(Hotspot 取消偏向锁需要全局 safepoint,关于这个相关的分析,可以参考:JVM相关 - SafePoint 与 Stop The World 全解(基于OpenJDK 11版本))。
  • 调用 hashcode,根据之前的源码分析,需要取消偏向锁,同时将 hashcode 写入 header:第一字节为00000001,代表处于无锁状态,偏向锁关闭,倒数第三位为 0。
  • 调用 hashcode 之后 main 线程获取锁,由于偏向锁关闭,直接从轻量锁开始:第一字节为01111000,00 代表轻量锁。后面保存了指向锁记录的指针。
  • 调用 hashcode 之后 main 线程释放锁,释放轻量锁,锁记录会被回收,所以 hashcode 回到 header 保存。
  • 多线程导致对象升级为重量级锁之后:第一字节为 00000010,10 代表重量级锁,由于 monitor 一旦生成一直存在,所以这个对象头会一直保留 monitor 的指针,hashcode 也会保存在 monitor 上。
  • 最后锁释放后,header 没有改变,也是上面说的原因。

1.2. 类型字压缩指针与 JVM 最大内存

压缩指针这个属性默认是打开的,可以通过-XX:-UseCompressedOops关闭。

首先说一下为何需要压缩指针呢?32 位的存储,可以描述多大的内存呢?假设每一个1代表1字节,那么可以描述 0~2^32-1 这 2^32 字节也就是 4 GB 的内存。

image

但是呢,Java 默认是 8 字节对齐的内存,也就是一个对象占用的空间,必须是 8 字节的整数倍,不足的话会填充到 8 字节的整数倍。也就是其实描述内存的时候,不用从 0 开始描述到 8(就是根本不需要定位到之间的1,2,3,4,5,6,7)因为对象起止肯定都是 8 的整数倍。所以,2^32 字节如果一个1代表8字节的话,那么最多可以描述 2^32 * 8 字节也就是 32 GB 的内存。

image

这就是压缩指针的原理。如果配置最大堆内存超过 32 GB(当 JVM 是 8 字节对齐),那么压缩指针会失效。 但是,这个 32 GB 是和字节对齐大小相关的,也就是-XX:ObjectAlignmentInBytes配置的大小(默认为8字节,也就是 Java 默认是 8 字节对齐)-XX:ObjectAlignmentInBytes可以设置为 8 的整数倍,最大 128。也就是如果配置-XX:ObjectAlignmentInBytes为 24,那么配置最大堆内存超过 96 GB 压缩指针才会失效。

编写程序测试下:

A a = new A(); System.out.println("------After Initialization------\n" + ClassLayout.parseInstance(a).toPrintable()); 

首先,以启动参数:-XX:ObjectAlignmentInBytes=8 -Xmx16g执行:

------After Initialization------ com.hashjang.jdk.TestObjectAlign$A object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 48 72 06 00 (01001000 01110010 00000110 00000000) (422472) 12 4 (alignment/padding gap) 16 8 long A.d 0 Instance size: 24 bytes Space losses: 4 bytes internal + 0 bytes external = 4 bytes total 

可以看到类型字大小为 4 字节48 72 06 00 (01001000 01110010 00000110 00000000) (422472),压缩指针生效。

首先,以启动参数:-XX:ObjectAlignmentInBytes=8 -Xmx32g执行:

------After Initialization------ com.hashjang.jdk.TestObjectAlign$A object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) a0 5b c6 00 (10100000 01011011 11000110 00000000) (12999584) 12 4 (object header) b4 02 00 00 (10110100 00000010 00000000 00000000) (692) 16 8 long A.d 0 Instance size: 24 bytes Space losses: 0 bytes internal + 0 bytes external = 0 bytes total 

可以看到类型字大小为 8 字节,压缩指针失效:

a0 5b c6 00 (10100000 01011011 11000110 00000000) (12999584) b4 02 00 00 (10110100 00000010 00000000 00000000) (692) 

修改对齐大小为 16 字节,也就是以-XX:ObjectAlignmentInBytes=16 -Xmx32g执行:

------After Initialization------ com.hashjang.jdk.TestObjectAlign$A object internals: OFFSET SIZE TYPE DESCRIPTION VALUE 0 4 (object header) 05 00 00 00 (00000101 00000000 00000000 00000000) (5) 4 4 (object header) 00 00 00 00 (00000000 00000000 00000000 00000000) (0) 8 4 (object header) 48 72 06 00 (01001000 01110010 00000110 00000000) (422472) 12 4 (alignment/padding gap) 16 8 long A.d 0 24 8 (loss due to the next object alignment) Instance size: 32 bytes Space losses: 4 bytes internal + 8 bytes external = 12 bytes total 

可以看到类型字大小为 4 字节48 72 06 00 (01001000 01110010 00000110 00000000) (422472),压缩指针生效。

总结
  1. 对象指针包括标记字与类型字。
  2. 标记字中保存了:对象默认哈希值(如果没有覆盖默认的 hashcode() 方法,则哈希值在 hashcode() 方法被调用之后,会被记录到标记字之中)、对象的形状(是否是数组)、锁状态(偏向锁等锁信息,值得一提的是偏向锁在 Java 15 中废弃:Disable and Deprecate Biased Locking)、数组长度(如果标记显示这个对象是数组,描述了数组的长度)。标记字的实现仅仅包含一个uintptr_t类型,所以,在 32 位和 64 位虚拟机上面,大小分别是 4 字节和 8 字节。可以参考源码: markWord.hpp
  3. 类型字中保存了:指向对象实现的 Class 的指针。类型字默认是被压缩的,压缩指针指的就是这里。
  4. 默认哈希值计算,对于偏向锁是否生效,是有影响的。就是默认哈希值与偏向锁不能共存。
  5. 默认哈希值有缓存:无锁缓存在标记字;轻量锁缓存在锁记录,标记字中有指针指向锁记录,轻量锁释放后,锁记录中的哈希值复制到标记字中;重量锁缓存在 monitor 对象,标记字中有指针指向 monitor 对象,释放后,哈希值依然缓存在 monitor 对象中。
  6. 默认哈希值计算,需要考虑异步 monitor 降级的情况,这是 Java 15 中的新特性:Async Monitor Deflation
  7. 分代年龄在每次 Young GC 复制之后 +1,最大是 -XX:MaxTenuringThreshold=n配置的值,大于这个值就进入老年代了。
  8. 压缩指针是否启用和 Java 对齐字节大小(-XX:ObjectAlignmentInBytes,默认是 8,也就是 8 字节对齐)还有最大堆栈大小相关。

推荐阅读
  • 本文将介绍如何编写一些有趣的VBScript脚本,这些脚本可以在朋友之间进行无害的恶作剧。通过简单的代码示例,帮助您了解VBScript的基本语法和功能。 ... [详细]
  • python的交互模式怎么输出名文汉字[python常见问题]
    在命令行模式下敲命令python,就看到类似如下的一堆文本输出,然后就进入到Python交互模式,它的提示符是>>>,此时我们可以使用print() ... [详细]
  • 本文详细介绍了Java编程语言中的核心概念和常见面试问题,包括集合类、数据结构、线程处理、Java虚拟机(JVM)、HTTP协议以及Git操作等方面的内容。通过深入分析每个主题,帮助读者更好地理解Java的关键特性和最佳实践。 ... [详细]
  • golang常用库:配置文件解析库/管理工具viper使用
    golang常用库:配置文件解析库管理工具-viper使用-一、viper简介viper配置管理解析库,是由大神SteveFrancia开发,他在google领导着golang的 ... [详细]
  • 优化ListView性能
    本文深入探讨了如何通过多种技术手段优化ListView的性能,包括视图复用、ViewHolder模式、分批加载数据、图片优化及内存管理等。这些方法能够显著提升应用的响应速度和用户体验。 ... [详细]
  • Explore a common issue encountered when implementing an OAuth 1.0a API, specifically the inability to encode null objects and how to resolve it. ... [详细]
  • 技术分享:从动态网站提取站点密钥的解决方案
    本文探讨了如何从动态网站中提取站点密钥,特别是针对验证码(reCAPTCHA)的处理方法。通过结合Selenium和requests库,提供了详细的代码示例和优化建议。 ... [详细]
  • 1:有如下一段程序:packagea.b.c;publicclassTest{privatestaticinti0;publicintgetNext(){return ... [详细]
  • 本文详细介绍了 Dockerfile 的编写方法及其在网络配置中的应用,涵盖基础指令、镜像构建与发布流程,并深入探讨了 Docker 的默认网络、容器互联及自定义网络的实现。 ... [详细]
  • 在前两篇文章中,我们探讨了 ControllerDescriptor 和 ActionDescriptor 这两个描述对象,分别对应控制器和操作方法。本文将基于 MVC3 源码进一步分析 ParameterDescriptor,即用于描述 Action 方法参数的对象,并详细介绍其工作原理。 ... [详细]
  • 本文深入探讨了 Java 中的 Serializable 接口,解释了其实现机制、用途及注意事项,帮助开发者更好地理解和使用序列化功能。 ... [详细]
  • 本文详细介绍了Akka中的BackoffSupervisor机制,探讨其在处理持久化失败和Actor重启时的应用。通过具体示例,展示了如何配置和使用BackoffSupervisor以实现更细粒度的异常处理。 ... [详细]
  • 深入理解C++中的KMP算法:高效字符串匹配的利器
    本文详细介绍C++中实现KMP算法的方法,探讨其在字符串匹配问题上的优势。通过对比暴力匹配(BF)算法,展示KMP算法如何利用前缀表优化匹配过程,显著提升效率。 ... [详细]
  • Python自动化处理:从Word文档提取内容并生成带水印的PDF
    本文介绍如何利用Python实现从特定网站下载Word文档,去除水印并添加自定义水印,最终将文档转换为PDF格式。该方法适用于批量处理和自动化需求。 ... [详细]
  • 本文详细解析了如何使用Python语言在STM32硬件平台上实现高效的编程和快速的应用开发。通过具体的代码示例,展示了Python简洁而强大的特性。 ... [详细]
author-avatar
hyc_erasme
新手上路、多多照顾
RankList | 热门文章