源码分析：Java堆的创建
虚拟机在内存中申请一片区域，由虚拟机自动管理，用来满足应用程序对象分配的空间需求，即堆空间。
由于程序运行的局部特性，程序创建的大多数对象都具有非常短的生命周期，而程序也会创建一些生命周期特别长的对象。简单的复制收集器无论对象的 生命周期是长是短，都会进行复制操作。而生命周期较长的对象在多次垃圾回收期间内并不会被回收，这就使得这些对象被来回复制而使得算法性能大大下降。
分代收集把堆分为多个子堆，分别用来存放不同寿命的对象。新生对象空间的将经历最频繁的垃圾回收，而对于经历了若干次垃圾收集后仍然存活的对象，将成长为成熟对象，并移动到成熟对象的子堆中，而对老生代子堆的垃圾回收就不会像新生对象子堆那么频繁。
HotSpot的堆空间分为新生代(YoungGen)和老年代(OldGen，此外还有位于非堆空间的永久代，但在Java8中将移除永久代)，新生代又分为Eden区和2个Survivor区(From/To)用以进行复制收集垃圾对象。
对Java堆和对象的分析将从Java堆的创建开始，然后分析Java对象的分配与垃圾回收。
一、堆的实现方式
在虚拟机的创建初始化过程中，通过调用Universe的成员函数initialize_heap()将完成Java堆的初始化。在Universe模块下的初始化将根据虚拟机选项来选择堆的具体实现方式：
1.若虚拟机配置UseParallelGC，则Java堆的堆类型为ParallelScavengeHeap(并行收集堆)
1 import java.io.IOException; 2 3 import javax.servlet.ServletException; 4 import javax.servlet.http.HttpServlet; 5 import javax.servlet.http.HttpServletRequest; 6 import javax.servlet.http.HttpServletResponse; 7 8 public class ExampleServlet extends HttpServlet { 9 10 private Object thisIsNOTThreadSafe; 11 12 protected void doGet(HttpServletRequest request,HttpServletResponse response) throws ServletException, IOException { 13 14 Object thisIsThreadSafe; 15 16 thisIsNOTThreadSafe = request.getParameter("foo"); // BAD!! Shared among 17 // all requests! 18 19 thisIsThreadSafe = request.getParameter("foo"); // OK, this is thread 20 // safe. 21 22 } 23 24 }
2.若虚拟机配置UseG1GC，那么将选择堆类型为G1CollectedHeap，垃圾收集策略将使用专用的G1CollectorPolicy(垃圾优先收集)策略
1 else if (UseG1GC) { 2 3 #ifndef SERIALGC 4 5 G1CollectorPolicy* g1p = new G1CollectorPolicy_BestRegionsFirst(); 6 7 G1CollectedHeap* g1h = new G1CollectedHeap(g1p); 8 9 Universe::_collectedHeap = g1h; 10 11 #else // SERIALGC 12 13 fatal("UseG1GC not supported in java kernel vm."); 14 15 #endif // SERIALGC 16 }
3.否则，虚拟机将使用GenCollectedHeap(分代收集堆)
Universe::_collectedHeap = new GenCollectedHeap(gc_policy);
各个堆实现类的类关系如下：
对于默认情况下的堆实现，还要根据配置选择垃圾回收策略gc_policy来构造一个GenCollectedHeap，这里根据虚拟机配置选择不同的GC策略：
(1).若虚拟机配置UseSerialGC，那么将使用MarkSweepPolicy(标记-清除)策略
GenCollectorPolicy *gc_policy; if (UseSerialGC) { gc_policy = new MarkSweepPolicy(); }
(2).若虚拟机配置UseConcMarkSweepGC和UseAdaptiveSizePolicy，那么将使用 ASConcurrentMarkSweepPolicy(自适应并发标记-清除)策略，若没有指定UseAdaptiveSizePolicy，虚拟机 将默认使用ConcurrentMarkSweepPolicy(并发标记-清除)策略
1 else if (UseConcMarkSweepGC) { 2 3 #ifndef SERIALGC 4 5 if (UseAdaptiveSizePolicy) { 6 7 gc_policy = new ASConcurrentMarkSweepPolicy(); 8 9 } else { 10 11 gc_policy = new ConcurrentMarkSweepPolicy(); 12 13 }
(3).若没有进行配置，虚拟机将默认使用MarkSweepPolicy策略
else { // default old generation gc_policy = new MarkSweepPolicy(); }
如下表所示：
其中垃圾回收策略类的关系如下图：
4.接下来是相应实现的堆的初始化
jint status = Universe::heap()->initialize();
if (status != JNI_OK) {
return status;
}
5.堆空间初始化完成后，是LP64平台上的指针压缩以及TLAB的相关内容 。
通常64位JVM消耗的内存会比32位的大1.5 倍，这是因为在64位环境下，对象将使用64位指针，这就增加了一倍的指针占用内存开销。从JDK 1.6 update14开始，64 bit JVM正式支持了 -XX:+UseCompressedOops 选项来压缩指针，以节省内存空间。
指针压缩的地址计算如下：
addr = <narrow_oop_base> + <narrow_oop> << 3 + <field_offset>
若堆寻址空间小于4GB(2^32)时，直接使用32位的压缩对象指针< narrow_oop >就可以找到该对象
若堆寻址空间大于4GB(2^32)但小于32GB时，就必须借助偏移来获得真正的地址(对象是8字节对齐的)。
若堆寻址空间大于32GB时，就需要借助堆的基址来完成寻址了，< narrow_oop_base >为堆的基址，< field_offset >为一页的大小。
(1).若heap的地址空间的最大地址大于OopEncodingHeapMax(32GB)，则设置基础地址为当前堆的起始地址-页大小，设置偏移为LogMinObjAlignmentInBytes(3)，即使用普通的对象指针压缩技术
1 if ((uint64_t)Universe::heap()->reserved_region().end() > OopEncodingHeapMax) { 2 3 // Can't reserve heap below 32Gb. 4 5 Universe::set_narrow_oop_base(Universe::heap()->base() - os::vm_page_size()); 6 7 Universe::set_narrow_oop_shift(LogMinObjAlignmentInBytes); 8 9 }
(2).否则设置基础地址为0
1 else { 2 3 Universe::set_narrow_oop_base(0); 4 5 //... 6 7 }
若heap的地址空间的最大地址大于NarrowOopHeapMax(4GB，小于32GB)，则设置偏移为LogMinObjAlignmentInBytes(默认为3)，即使用零基压缩技术，否则设置偏移为0，即直接使用压缩对象指针进行寻址
1 if((uint64_t)Universe::heap()->reserved_region().end() > NarrowOopHeapMax) { 2 3 // Can't reserve heap below 4Gb. 4 5 Universe::set_narrow_oop_shift(LogMinObjAlignmentInBytes); 6 7 } else { 8 9 Universe::set_narrow_oop_shift(0);
二、堆的初始化：分代实现方式
接下来分析特定堆的初始化过程，这里以GenCollectedHeap和MarkSweepPolicy为例：
GenCollectedHeap的构造函数中使用传入的策略作为_gen_policy(代策略)。以MarkSweepPolicy为例，看看其构造函数：
1 //定义在/hotspot/src/share/vm/memory/collectorPolicy.cpp中 2 3 MarkSweepPolicy::MarkSweepPolicy() { 4 5 initialize_all(); 6 7 }
MarkSweepPolicy的构造函数调用了initialize_all()来完成策略的初始化，initialize_all()是父 类GenCollectorPolicy()的虚函数，它调用了三个子初始化虚函数，这三个子初始化过程由GenCollectorPolicy的子类实 现。其中initialize_flags()初始化了永久代的一些大小配置参数，initialize_size_info()设置了Java堆大小的相关参数，initialize_generations()根据用户参数，配置各内存代的管理器。
1 //hotspot/src/share/vm/memory/collectorPolicy.hpp中 2 3 virtual void initialize_all() { 4 5 initialize_flags(); 6 7 initialize_size_info(); 8 9 initialize_generations(); 10 11 }
下面通过initialize_generations()来看看各代有哪些实现方式：
1.若配置了UseParNewGC，并且并行GC线程数大于1，那么新生代就会使用ParNew实现
//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.默认新生代使用DefNew实现
else { _generations[0] = new GenerationSpec(Generation::DefNew, _initial_gen0_size, _max_gen0_size); }
3.老年代固定使用MarkSweepCompact实现
_generations[1] = new GenerationSpec(Generation::MarkSweepCompact, _initial_gen1_size, _max_gen1_size);
(其中DefNew、ParNew、MarkSweepCompact等均为Generation的枚举集合Name的成员，描述了可能实现的各种代实现类型)
MarkSweepPolicy、ConcurrentMarkSweepPolicy、ASConcurrentMarkSweepPolicy对各代的实现综合如下表所示：
三、堆的初始化：堆内存空间分配
分析完了构造函数，回到Universe模块中堆的initialize()。
以GenCollectedHeap为例：
1.根据构造函数传入的gc_policy(分代策略)来初始化分代数
//定义在/hotspot/src/share/vm/memory/genCollectedHeap.cpp中 jint GenCollectedHeap::initialize() { //... _n_gens = gen_policy()->number_of_generations();
根据GenCollectedHeap的定义可以看到，GenCollectedHeap最多支持10个分代
enum SomeConstants { max_gens = 10 }; //... private: int _n_gens; Generation* _gens[max_gens];
其实并不需要这么多分代，MarkSweepPolicy、ConcurrentMarkSweepPolicy、 ASConcurrentMarkSweepPolicy(ConcurrentMarkSweepPolicy的子类)均有着共同的祖先类 TwoGenerationCollectorPolicy，其分代只有2代，即新生代和老年代。
2.每代的大小是基于GenGrain大小对齐的
// The heap must be at least as aligned as generations. size_t alignment = Generation::GenGrain;
GenGrain定义在/hotspot/src/share/vm/memory/generation.h中，在非ARM平台中是2^16字节，即64KB大小
3.获取各分代的管理器指针数组和永久代的管理器指针，并对齐各代的大小到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()定义在/hotspot/src/share/vm/memory/generationSpec.h，使初始和最大大小值向上对齐至64KB的倍数
// 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.调用allocate()为堆分配空间，其起始地址为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.初始分配所得的空间将被封装在_reserved(CollectedHeap的MemRegion成员)中
_reserved = MemRegion((HeapWord*)heap_rs.base(), (HeapWord*)(heap_rs.base() + heap_rs.size()));
调整实际的堆大小为去掉永久代的misc_data和misc_code的空间，并创建一个覆盖整个空间的数组，数组每个字节对应于堆的512字节，用于遍历新生代和老年代空间
_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.调用heap_rs的的first_part()，依次为新生代和老年代分配空间并调用各代管理器的init()将其初始化为Generation空间，最后为永久代分配空间和进行初始化
_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());
四、内存空间申请实现
那么GenCollectedHeap是如何向系统申请内存空间的呢？
答案就在allocate()函数中
1.在申请之前，当然要对内存空间的大小和分块数进行计算
(1).内存页的大小将根据虚拟机是否配置UseLargePages而不同，large_page_size在不同平台上表现不同，x86使用 2/4M(物理地址扩展模式)的页大小，AMD64使用2M，否则，Linux默认内存页大小只有4KB，接下来会以各代所配置的最大大小进行计算，若最 大值设置为负数，那么jvm将报错退出，默认的新生代和老年代的分块数为1，而永久代的分块数为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(); }
加上永久代空间的大小和块数
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的空间大小(数据区和代码区)，但其实并不是堆的一部分
size_t s = perm_gen_spec->misc_data_size() + perm_gen_spec->misc_code_size();
total_reserved += s;
(3).如果配置了UseLargePages，那么将向上将申请的内存空间大小对齐至页
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).对象地址压缩的内容
根据UnscaledNarrowOop(直接使用压缩指针)选取合适的堆起始地址，并尝试在该地址上分配内存
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);
若不能再该地址进行分配内存，则尝试使用ZereBasedNarrowOop(零基压缩)尝试在更高的地址空间上进行分配
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);
若仍然失败，则使用普通的指针压缩技术在其他地址上进行分配
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.调用ReservedHeapSpace的构造函数进行内存空间的申请
*_total_reserved = total_reserved; *_n_covered_regions = n_covered_regions; *heap_rs = ReservedHeapSpace(total_reserved, alignment, UseLargePages, heap_address); return heap_address;
在构造函数中并没有发现对内存空间进行申请，那么继续看父类ReservedSpace的构造函数
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()的实现如下：
(1).如果目标操作系统不支持large_page_memory，那么将进行特殊处理，此外，对指针压缩处理还需要对请求分配的内存空间大小进行调整
if (requested_address != 0) { requested_address -= noaccess_prefix; // adjust requested address assert(requested_address != NULL, "huge noaccess prefix?"); }
(2).对于上述特殊情况，会调用reserve_memory_special()进行内存空间的申请，并若申请成功会进行空间大小的对齐验证
if (special) { //向操作系统申请指定大小的内存，并映射到用户指定的内存空间中 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，那么堆将在指定地址进行申请，就会调用attempt_reserve_memory_at()进行申请，否则，调用reserve_memory()进行申请
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，还需要对分配的起始地址进行对齐验证。若没有对齐，则会进行手工调整。调 整的方法为尝试申请一块size+alignment大小的空间，若成功则向上对齐所得的内存空间的起始地址(失败则无法对齐，直接返回)，并以此为起始 地址重新申请一块size大小的空间，这块size大小的空间必然包含于size+alignment大小的空间内，以此达到对齐地址的目的。
// 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);
最后，在地址空间均已分配完毕，GenCollectedHeap的initialize()中为各代划分了各自的内存空间范围，就会调用各代的GenerationSpec的init()函数完成各代的初始化。
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; }
各分代实现类的类关系如下：
归纳堆初始化的流程图如下：
