源碼分析：Java堆的建立

時間  2019-11-11
標籤 源碼 分析 java 建立 欄目 Java 简体版
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　　虛擬機在內存中申請一片區域，由虛擬機自動管理，用來知足應用程序對象分配的空間需求，即堆空間。java

　　因爲程序運行的局部特性，程序建立的大多數對象都具備很是短的生命週期，而程序也會建立一些生命週期特別長的對象。簡單的複製收集器不管對象的生命週期是長是短，都會進行復制操做。而生命週期較長的對象在屢次垃圾回收期間內並不會被回收，這就使得這些對象被來回複製而使得算法性能大大降低。算法

　　分代收集把堆分爲多個子堆，分別用來存放不一樣壽命的對象。新生對象空間的將經歷最頻繁的垃圾回收，而對於經歷了若干次垃圾收集後仍然存活的對象，將成長爲成熟對象，並移動到成熟對象的子堆中，而對老生代子堆的垃圾回收就不會像新生對象子堆那麼頻繁。數組

　　HotSpot的堆空間分爲新生代(YoungGen)和老年代(OldGen，此外還有位於非堆空間的永久代，但在Java8中將移除永久代)，新生代又分爲Eden區和2個Survivor區(From/To)用以進行復制收集垃圾對象。 
對Java堆和對象的分析將從Java堆的建立開始，而後分析Java對象的分配與垃圾回收。併發

　1、堆的實現方式

　   在虛擬機的建立初始化過程當中，經過調用Universe的成員函數initialize_heap()將完成Java堆的初始化。在Universe模塊下的初始化將根據虛擬機選項來選擇堆的具體實現方式： 
　　1.若虛擬機配置UseParallelGC，則Java堆的堆類型爲ParallelScavengeHeap(並行收集堆)jvm

//定義在/hotspot/src/share/vm/memory/universe.cpp中
if (UseParallelGC) {
#ifndef SERIALGC
    Universe::_collectedHeap = new ParallelScavengeHeap();
#else  // SERIALGC
    fatal("UseParallelGC not supported in java kernel vm.");
#endif // SERIALGC

  }

　　2.若虛擬機配置UseG1GC，那麼將選擇堆類型爲G1CollectedHeap，垃圾收集策略將使用專用的G1CollectorPolicy(垃圾優先收集)策略函數

 else if (UseG1GC) {
#ifndef SERIALGC
    G1CollectorPolicy* g1p = new G1CollectorPolicy_BestRegionsFirst();
    G1CollectedHeap* g1h = new G1CollectedHeap(g1p);
    Universe::_collectedHeap = g1h;
#else  // SERIALGC
    fatal("UseG1GC not supported in java kernel vm.");
#endif // SERIALGC

  }

　　3.不然，虛擬機將使用GenCollectedHeap(分代收集堆)oop

Universe::_collectedHeap = new GenCollectedHeap(gc_policy);

　　各個堆實現類的類關係以下：性能

　　對於默認狀況下的堆實現，還要根據配置選擇垃圾回收策略gc_policy來構造一個GenCollectedHeap，這裏根據虛擬機配置選擇不一樣的GC策略： 
　　(1).若虛擬機配置UseSerialGC，那麼將使用MarkSweepPolicy(標記-清除)策略ui

GenCollectorPolicy *gc_policy;

    if (UseSerialGC) {
      gc_policy = new MarkSweepPolicy();
    }

　　(2).若虛擬機配置UseConcMarkSweepGC和UseAdaptiveSizePolicy，那麼將使用ASConcurrentMarkSweepPolicy(自適應併發標記-清除)策略，若沒有指定UseAdaptiveSizePolicy，虛擬機將默認使用ConcurrentMarkSweepPolicy(併發標記-清除)策略this

else if (UseConcMarkSweepGC) {
#ifndef SERIALGC
      if (UseAdaptiveSizePolicy) {
        gc_policy = new ASConcurrentMarkSweepPolicy();
      } else {
        gc_policy = new ConcurrentMarkSweepPolicy();
      }

　　(3).若沒有進行配置，虛擬機將默認使用MarkSweepPolicy策略

else { // default old generation
      gc_policy = new MarkSweepPolicy();
    }

以下表所示：

 

其中垃圾回收策略類的關係以下圖：

　　4.接下來是相應實現的堆的初始化

jint status = Universe::heap()->initialize();
  if (status != JNI_OK) { return status; }

　　5.堆空間初始化完成後，是LP64平臺上的指針壓縮以及TLAB的相關內容 。
　　一般64位JVM消耗的內存會比32位的大1.5倍，這是由於在64位環境下，對象將使用64位指針，這就增長了一倍的指針佔用內存開銷。從JDK 1.6 update14開始，64 bit JVM正式支持了 -XX:+UseCompressedOops 選項來壓縮指針，以節省內存空間。 
指針壓縮的地址計算以下：

addr = <narrow_oop_base> + <narrow_oop> << 3 + <field_offset>

　　若堆尋址空間小於4GB(2^32)時，直接使用32位的壓縮對象指針< narrow_oop >就能夠找到該對象 
　　若堆尋址空間大於4GB(2^32)但小於32GB時，就必須藉助偏移來得到真正的地址(對象是8字節對齊的)。 
　　若堆尋址空間大於32GB時，就須要藉助堆的基址來完成尋址了，< narrow_oop_base >爲堆的基址，< field_offset >爲一頁的大小。 
　　(1).若heap的地址空間的最大地址大於OopEncodingHeapMax(32GB)，則設置基礎地址爲當前堆的起始地址-頁大小，設置偏移爲LogMinObjAlignmentInBytes(3)，即便用普通的對象指針壓縮技術

if ((uint64_t)Universe::heap()->reserved_region().end() > OopEncodingHeapMax) {
      // Can't reserve heap below 32Gb.
      Universe::set_narrow_oop_base(Universe::heap()->base() - os::vm_page_size());
      Universe::set_narrow_oop_shift(LogMinObjAlignmentInBytes);
}

　　(2).不然設置基礎地址爲0

else {
      Universe::set_narrow_oop_base(0);
      //...
      }

　　若heap的地址空間的最大地址大於NarrowOopHeapMax(4GB，小於32GB)，則設置偏移爲LogMinObjAlignmentInBytes(默認爲3)，即便用零基壓縮技術，不然設置偏移爲0，即直接使用壓縮對象指針進行尋址

if((uint64_t)Universe::heap()->reserved_region().end() > NarrowOopHeapMax) {
        // Can't reserve heap below 4Gb.
        Universe::set_narrow_oop_shift(LogMinObjAlignmentInBytes);
      } else {
        Universe::set_narrow_oop_shift(0);

　2、堆的初始化：分代實現方式

　接下來分析特定堆的初始化過程，這裏以GenCollectedHeap和MarkSweepPolicy爲例： 　　

　　GenCollectedHeap的構造函數中使用傳入的策略做爲_gen_policy(代策略)。以MarkSweepPolicy爲例，看看其構造函數：

//定義在/hotspot/src/share/vm/memory/collectorPolicy.cpp中
MarkSweepPolicy::MarkSweepPolicy() {
  initialize_all();
}

　　MarkSweepPolicy的構造函數調用了initialize_all()來完成策略的初始化，initialize_all()是父類GenCollectorPolicy()的虛函數，它調用了三個子初始化虛函數，這三個子初始化過程由GenCollectorPolicy的子類實現。其中initialize_flags()初始化了永久代的一些大小配置參數，initialize_size_info()設置了Java堆大小的相關參數，initialize_generations()根據用戶參數，配置各內存代的管理器。

//hotspot/src/share/vm/memory/collectorPolicy.hpp中
virtual void initialize_all() {
    initialize_flags();
    initialize_size_info();
    initialize_generations();
  }

　　下面經過initialize_generations()來看看各代有哪些實現方式： 
　　1.若配置了UseParNewGC，而且並行GC線程數大於1，那麼新生代就會使用ParNew實現

//永久代初始化
  _generations = new GenerationSpecPtr[number_of_generations()];
  //...

  if (UseParNewGC && ParallelGCThreads > 0) {
    _generations[0] = new GenerationSpec(Generation::ParNew, _initial_gen0_size, _max_gen0_size);
  }

　　2.默認新生代使用DefNew實現

else {
    _generations[0] = new GenerationSpec(Generation::DefNew, _initial_gen0_size, _max_gen0_size); }

　　3.老年代固定使用MarkSweepCompact實現

_generations[1] = new GenerationSpec(Generation::MarkSweepCompact, _initial_gen1_size, _max_gen1_size);

(其中DefNew、ParNew、MarkSweepCompact等均爲Generation的枚舉集合Name的成員，描述了可能實現的各類代實現類型) 
MarkSweepPolicy、ConcurrentMarkSweepPolicy、ASConcurrentMarkSweepPolicy對各代的實現綜合以下表所示： 

 

　3、堆的初始化：堆內存空間分配

　　分析完了構造函數，回到Universe模塊中堆的initialize()。 
　　以GenCollectedHeap爲例： 
　　1.根據構造函數傳入的gc_policy(分代策略)來初始化分代數

//定義在/hotspot/src/share/vm/memory/genCollectedHeap.cpp中
jint GenCollectedHeap::initialize() {
  //...
  _n_gens = gen_policy()->number_of_generations();

　　根據GenCollectedHeap的定義能夠看到，GenCollectedHeap最多支持10個分代

 enum SomeConstants {
    max_gens = 10
  };

//...
 private:
  int _n_gens;
  Generation* _gens[max_gens];

　　其實並不須要這麼多分代，MarkSweepPolicy、ConcurrentMarkSweepPolicy、ASConcurrentMarkSweepPolicy(ConcurrentMarkSweepPolicy的子類)均有着共同的祖先類TwoGenerationCollectorPolicy，其分代只有2代，即新生代和老年代。 

　　2.每代的大小是基於GenGrain大小對齊的

 // The heap must be at least as aligned as generations.
  size_t alignment = Generation::GenGrain;

GenGrain定義在/hotspot/src/share/vm/memory/generation.h中，在非ARM平臺中是2^16字節，即64KB大小 
　　3.獲取各分代的管理器指針數組和永久代的管理器指針，並對齊各代的大小到64KB

PermanentGenerationSpec *perm_gen_spec =
                                collector_policy()->permanent_generation();

  // Make sure the sizes are all aligned.
  for (i = 0; i < _n_gens; i++) {
    _gen_specs[i]->align(alignment);
  }
  perm_gen_spec->align(alignment);

　　GenerationSpec的align()定義在/hotspot/src/share/vm/memory/generationSpec.h，使初始和最大大小值向上對齊至64KB的倍數

// Alignment
  void align(size_t alignment) {
    set_init_size(align_size_up(init_size(), alignment));
    set_max_size(align_size_up(max_size(), alignment));
  }

　　4.調用allocate()爲堆分配空間，其起始地址爲heap_address

char* heap_address;
  size_t total_reserved = 0;
  int n_covered_regions = 0;
  ReservedSpace heap_rs(0);

  heap_address = allocate(alignment, perm_gen_spec, &total_reserved,
                          &n_covered_regions, &heap_rs);

　　5.初始分配所得的空間將被封裝在_reserved(CollectedHeap的MemRegion成員)中

_reserved = MemRegion((HeapWord*)heap_rs.base(),
                        (HeapWord*)(heap_rs.base() + heap_rs.size()));

　　調整實際的堆大小爲去掉永久代的misc_data和misc_code的空間，並建立一個覆蓋整個空間的數組，數組每一個字節對應於堆的512字節，用於遍歷新生代和老年代空間

  _reserved.set_word_size(0);
  _reserved.set_start((HeapWord*)heap_rs.base());
  size_t actual_heap_size = heap_rs.size() - perm_gen_spec->misc_data_size()
                                           - perm_gen_spec->misc_code_size();
  _reserved.set_end((HeapWord*)(heap_rs.base() + actual_heap_size));

  _rem_set = collector_policy()->create_rem_set(_reserved, n_covered_regions);
  set_barrier_set(rem_set()->bs());

　　7.調用heap_rs的的first_part()，依次爲新生代和老年代分配空間並調用各代管理器的init()將其初始化爲Generation空間，最後爲永久代分配空間和進行初始化

_gch = this;

  for (i = 0; i < _n_gens; i++) {
    ReservedSpace this_rs = heap_rs.first_part(_gen_specs[i]->max_size(),
                                              UseSharedSpaces, UseSharedSpaces);
    _gens[i] = _gen_specs[i]->init(this_rs, i, rem_set());
    heap_rs = heap_rs.last_part(_gen_specs[i]->max_size());
  }
  _perm_gen = perm_gen_spec->init(heap_rs, PermSize, rem_set());

 

　　4、內存空間申請實現

　　那麼GenCollectedHeap是如何向系統申請內存空間的呢？ 
　　答案就在allocate()函數中 
　　1.在申請以前，固然要對內存空間的大小和分塊數進行計算 
　　(1).內存頁的大小將根據虛擬機是否配置UseLargePages而不一樣，large_page_size在不一樣平臺上表現不一樣，x86使用2/4M(物理地址擴展模式)的頁大小，AMD64使用2M，不然，Linux默認內存頁大小隻有4KB，接下來會以各代所配置的最大大小進行計算，若最大值設置爲負數，那麼jvm將報錯退出，默認的新生代和老年代的分塊數爲1，而永久代的分塊數爲2

char* GenCollectedHeap::allocate(size_t alignment,
                                 PermanentGenerationSpec* perm_gen_spec,
                                 size_t* _total_reserved,
                                 int* _n_covered_regions,
                                 ReservedSpace* heap_rs){
  //...
  // Now figure out the total size.
  size_t total_reserved = 0;
  int n_covered_regions = 0;
  const size_t pageSize = UseLargePages ?
      os::large_page_size() : os::vm_page_size();

  for (int i = 0; i < _n_gens; i++) {
    total_reserved += _gen_specs[i]->max_size();
    if (total_reserved < _gen_specs[i]->max_size()) {
      vm_exit_during_initialization(overflow_msg);
    }
    n_covered_regions += _gen_specs[i]->n_covered_regions();
  }

　　加上永久代空間的大小和塊數

total_reserved += perm_gen_spec->max_size();
if (total_reserved < perm_gen_spec->max_size()) {
    vm_exit_during_initialization(overflow_msg);
  }
  n_covered_regions += perm_gen_spec->n_covered_regions();

　　(2).加上永久代的misc_data和misc_code的空間大小(數據區和代碼區)，但其實並非堆的一部分

size_t s = perm_gen_spec->misc_data_size() + perm_gen_spec->misc_code_size();

  total_reserved += s;

　　(3).若是配置了UseLargePages，那麼將向上將申請的內存空間大小對齊至頁

if (UseLargePages) {
    assert(total_reserved != 0, "total_reserved cannot be 0");
    total_reserved = round_to(total_reserved, os::large_page_size());
    if (total_reserved < os::large_page_size()) {
      vm_exit_during_initialization(overflow_msg);
    }
  }

　　(4).對象地址壓縮的內容 
根據UnscaledNarrowOop(直接使用壓縮指針)選取合適的堆起始地址，並嘗試在該地址上分配內存

 if (UseCompressedOops) {
      heap_address = Universe::preferred_heap_base(total_reserved, Universe::UnscaledNarrowOop);
      *_total_reserved = total_reserved;
      *_n_covered_regions = n_covered_regions;
      *heap_rs = ReservedHeapSpace(total_reserved, alignment,
                                   UseLargePages, heap_address);

　　若不能再該地址進行分配內存，則嘗試使用ZereBasedNarrowOop(零基壓縮)嘗試在更高的地址空間上進行分配

if (heap_address != NULL && !heap_rs->is_reserved()) {
        // Failed to reserve at specified address - the requested memory
        // region is taken already, for example, by 'java' launcher.
        // Try again to reserver heap higher.
        heap_address = Universe::preferred_heap_base(total_reserved, Universe::ZeroBasedNarrowOop);
        *heap_rs = ReservedHeapSpace(total_reserved, alignment,
                                     UseLargePages, heap_address);

　　若仍然失敗，則使用普通的指針壓縮技術在其餘地址上進行分配

 if (heap_address != NULL && !heap_rs->is_reserved()) {
          // Failed to reserve at specified address again - give up.
          heap_address = Universe::preferred_heap_base(total_reserved, Universe::HeapBasedNarrowOop);
          assert(heap_address == NULL, "");
          *heap_rs = ReservedHeapSpace(total_reserved, alignment,
                                       UseLargePages, heap_address);
        }
      }

　　2.調用ReservedHeapSpace的構造函數進行內存空間的申請

  *_total_reserved = total_reserved;
  *_n_covered_regions = n_covered_regions;
  *heap_rs = ReservedHeapSpace(total_reserved, alignment,
                               UseLargePages, heap_address);

  return heap_address;

　　在構造函數中並無發現對內存空間進行申請，那麼繼續看父類ReservedSpace的構造函數

ReservedSpace::ReservedSpace(size_t size, size_t alignment,  
                             bool large,  
                             char* requested_address,  
                             const size_t noaccess_prefix) {  
  initialize(size+noaccess_prefix, alignment, large, requested_address,  noaccess_prefix, false);  
}

　　3.initialize()的實現以下： 
　　(1).若是目標操做系統不支持large_page_memory，那麼將進行特殊處理，此外，對指針壓縮處理還須要對請求分配的內存空間大小進行調整

if (requested_address != 0) {  
    requested_address -= noaccess_prefix; // adjust requested address  
    assert(requested_address != NULL, "huge noaccess prefix?");  
  }

　　(2).對於上述特殊狀況，會調用reserve_memory_special()進行內存空間的申請，並若申請成功會進行空間大小的對齊驗證

if (special) {  

    //向操做系統申請指定大小的內存，並映射到用戶指定的內存空間中  
    base = os::reserve_memory_special(size, requested_address, executable);  

    if (base != NULL) {  
      if (failed_to_reserve_as_requested(base, requested_address, size, true)) {  
        // OS ignored requested address. Try different address.  
        return;  
      }  
      // Check alignment constraints  
      assert((uintptr_t) base % alignment == 0, "Large pages returned a non-aligned address");  
      _special = true;

　　(3).若配置了UseSharedSpace或UseCompressedOops，那麼堆將在指定地址進行申請，就會調用attempt_reserve_memory_at()進行申請，不然，調用reserve_memory()進行申請

if (requested_address != 0) {  
      base = os::attempt_reserve_memory_at(size, requested_address);  

      if (failed_to_reserve_as_requested(base, requested_address, size, false)) {  
        // OS ignored requested address. Try different address.  
        base = NULL;  
      }  
    } else {  
      base = os::reserve_memory(size, NULL, alignment);  
    }

　　(4).若分配成功，還須要對分配的起始地址進行對齊驗證。若沒有對齊，則會進行手工調整。調整的方法爲嘗試申請一塊size+alignment大小的空間，若成功則向上對齊所得的內存空間的起始地址(失敗則沒法對齊，直接返回)，並以此爲起始地址從新申請一塊size大小的空間，這塊size大小的空間必然包含於size+alignment大小的空間內，以此達到對齊地址的目的。

// Check alignment constraints  
    if ((((size_t)base + noaccess_prefix) & (alignment - 1)) != 0) {  
      // Base not aligned, retry  
      if (!os::release_memory(base, size)) fatal("os::release_memory failed");  
      // Reserve size large enough to do manual alignment and  
      // increase size to a multiple of the desired alignment  
      size = align_size_up(size, alignment);  
      size_t extra_size = size + alignment;  
      do {  
        char* extra_base = os::reserve_memory(extra_size, NULL, alignment);  
        if (extra_base == NULL) return;  

        // Do manual alignement  
        base = (char*) align_size_up((uintptr_t) extra_base, alignment);  
        assert(base >= extra_base, "just checking");  
        // Re-reserve the region at the aligned base address.  
        os::release_memory(extra_base, extra_size);  
        base = os::reserve_memory(size, base);  
      } while (base == NULL);

　　最後，在地址空間均已分配完畢，GenCollectedHeap的initialize()中爲各代劃分了各自的內存空間範圍，就會調用各代的GenerationSpec的init()函數完成各代的初始化。

switch (name()) {
    case PermGen::MarkSweepCompact:
      return new CompactingPermGen(perm_rs, shared_rs, init_size, remset, this);

#ifndef SERIALGC
    case PermGen::MarkSweep:
      guarantee(false, "NYI");
      return NULL;

    case PermGen::ConcurrentMarkSweep: {
      assert(UseConcMarkSweepGC, "UseConcMarkSweepGC should be set");
      CardTableRS* ctrs = remset->as_CardTableRS();
      if (ctrs == NULL) {
        vm_exit_during_initialization("RemSet/generation incompatibility.");
      }
      // XXXPERM
      return new CMSPermGen(perm_rs, init_size, ctrs,
                   (FreeBlockDictionary::DictionaryChoice)CMSDictionaryChoice);
    }
#endif // SERIALGC
    default:
      guarantee(false, "unrecognized GenerationName");
      return NULL;
  }

　各分代實現類的類關係以下： 

概括堆初始化的流程圖以下： 

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