概述
Java 技术体系所提倡的自动内存管理最终可以归纳为自动化的解决两个问题：给对象分配内存以及回收分配给对象的内存。关于回收内存这一点，在本系列的第二章介绍了虚拟机中的垃圾收集器体系以及运作原理，本小节我们主要探讨一下 HotSpot 虚拟机在 Java 堆中对象分配、布局和访问全过程以及内存分配与回收策略。
对象的内存分配，往大的方向讲，就是在堆上分配（但也可能经过 JIT 编译后被拆散为标量类型并间接的在栈上分配），对象主要分配在新生代 Eden 区上，如果启动了本地线程分配缓冲，将按线程优先在 TLAB（本地线程分配缓冲）上分配。少数情况下，也可能直接分配在老年代中，分配的规则并不是百分之百固定的，其细节取决于当前使用的是哪一种垃圾收集器组合，还有虚拟机中与内存相关的参数的设置。
本节下面的代码在测试时使用 Client 模式虚拟机运行，没有手工指定收集器组合，换句话说，验证的是在使用 Serial / SerialOld 收集器下（ParNew / SerialOld 收集器组合的规则也基本一致）的内存分配和回收策略。
HotSpot 虚拟机在 Java 堆中对象分配、布局和访问全过程
对象的创建
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一个类的符号引用，并检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过。如果还没有，那必须先执行相应的类加载过程。
在类加载检查通过后，接来下虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，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。假设 Java 堆中内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方式称为指针碰撞“（Bump the Pointer）。如果 Java 堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那么虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分为对象实例，并更新列表上的记录，这种分配方式称为“空闲列表”（Free List）。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。因此，在使用 Serial、ParNew 等带 Compact 过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用 CMS 这种基于 Mark-Sweep 算法的收集器时，通常采用空闲列表。
除如何划分可用空间这之外，还有另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象 A 分配内存，指针还没来得及修改，对象 B 又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种方案，一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；另一种是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在 Java 堆中预先分配一块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local Alloccation Buffer，TLAB）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的 TLAB 上分配，只有 TLAB 用完并分配新的 TLAB时，才需要同步锁定。虚拟机是否使用 TLAB，可以通过 -XX:+/-UseTLAB 参数来决定。
对象的内存布局
在 HotSpot 虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为 3 块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对其填充（Padding）。
HotSpot 虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC 分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳，这部分数据的长度在 32 位和 64 位虚拟机（未开启压缩指针）中分别为 32 bit 和 64 bit，官方称它为“Mark Word”，Mark Word 被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的信息；对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
第二部分实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录起来。
第三部分对其填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于 HotSpot VM 的自动内存管理系统要求对象 起始地址必须是 8 字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是 8 字节的整数倍。因此，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。
对象的访问定位
建立对象是为了使用对象，我们的 Java 程序需要通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。由于 reference 类型在 Java 虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义和这个引用应该通过何种方式去定位、访问对堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定义的。目前主流的方式方式有使用句柄和直接指针两种。
- 如果使用句柄访问的话，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。
- 若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方式类型数据的相关信息，而 reference 中存储的直接就是对象地址。
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就是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中实例数据指针，而 reference 本身不需要修改；使用直接指针访问凡是的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在 Java 中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。因此，虚拟机 Sun HotSpot 使用的就是直接指针方式进行对象访问，但从整个软件开发的范围来看，各种语言和框架使用句柄来访问的情况也十分常见。
内存分配策略
对象优先在 Eden 分配
大多数情况下，对象在新生代 Eden 区中分配。当 Eden 区没有足够的空间进行分配时，虚拟机将发起一次 MonitorGC[1]。
代码清单 3-5 的 testAllocation()方法中，尝试分配 3 个 2MB 大小和 1 个 4MB 大小的对象，在运行时通过 -Xms20M、-Xmx20M、-Xmn10M 这 3 个参数限制了 Java 堆大小为 20MB，不可扩张，其中 10MB 分配给新生代，剩下的 10MB 分配给老年代。-XX:SurvivorRatio=8 决定了新生代中 Eden 区与一个 Survivor 区的空间比例是 8:1，从输出的结果也可以清楚地看到 “eden space 8192K、from space 1024K、to space 1024K” 的信息，新生代总可用空间为 9216K（Eden 区 + 1 个 Survivor 区的总容量）。
执行 testAllocation()中分配 allocation4 对象的语句时会发生一次 Minor Gc，这次 GC 的结果是新生代 6651KB 变为 148KB，而总内存占用量几乎没有减少（因为 allocation1、allocation2、allocation3 三个对象都是存活的，虚拟机几乎没有找到可回收的对象）。这次 GC 发生的原因是给 allocation4 分配内存的时候，发现 Eden 已经被占用了 6MB，剩余空间已不足以分配 allocation4 所需的 4MB 内存，因此发生 Minor GC。GC 期间虚拟机又发现已有的 3 个 3MB 大小的对象全部无法进入 Survivor 空间（Survivor 空间只有 1MB 大小），所以只好通过分配担保机制提前转移到老年代去。
这次 GC 结束后，4MB 的 allocation4 对象顺序分配在 Eden 中，因此程序执行完的结果是 Eden 占用 4MB（被 allocation4 占用），Survivor 空闲，老年代被占用 6MB（被 allocation1、allocation2、allocation3 占用）。
大对象直接进入老年代
所谓的大对象是指，需要大量连续内存空间的 Java 对象，最典型的大对象就是那种很长的字符串以及数组（上例中的 byte[] 数组就是典型的大对象）。大对象对虚拟机的内存分配来说就是一个坏消息（比遇到大对象更加块的消息就是遇到一群 “照生夕灭” 的“短命大对象”，写程序的时候应当避免），经常出现大对象容易导致内存还有不少空间时就提前触发垃圾收集以获取足够的连续空间来 “安置” 它们。
虚拟机提供了一个—XX:PretenureSizeThreshold[2] 参数，令大于这个设置指的对象直接在老年代分配。这样做的目的是避免在 Eden 区及两个 Survivor 区之间发生大量的内存复制（新生代采用复制算法收集内存）。
执行代码清单 testPretenureSizeThreshold()方法后，我们看到 Eden 空间几乎没有被使用，而老年代的 10MB 空间被使用了 40%，也就是 4MB 的 allocation 对象直接就分配在老年代中，这是因为 PretenureSizeTheashold 被设置为 3MB（就是 3145728，这个参数不能像—Xmx 之类的参数一样直接写 3MB），因此超过 3MB 的对象都会直接在老年代进行分配。
长期存活的对象将进入老年代
既然虚拟机采用了分代收集的思想来管理内存，那么内存回收时就必须能识别哪些对象应放在新生代，哪些对象应放在老年代中。为了做到这点，虚拟机给每个对象定义了一个对象年龄 (Age) 计数器。如果对象在 Eden 出生并经过第一次 Minor GC 后仍然存过，并且能被 Survivor 区容纳的话，将被移动到 Survivor 空间中，并且对象年龄设为 1。对象在 Survivor 区中每 “熬过” 一次 Minor GC，年龄就增加 1 岁，当它的年龄增加到一定程度（默认为 15 岁），就将会被晋升到老年代中。对象晋升老年代的年龄阀值，可以通过参数 -XX:MaxTenuringThreshold 设置。
动态对象年龄判定
为了能更好地适应不同程序的内存状况，虚拟机并不是永远地要求对象的年龄必须达到了 MaxTenuringThreshold 才能晋升老年代，如果 Survivor 空间中相同年龄所有对象大小的总和大于 Survivor 空间的一般，年龄大于或者等于该年龄的对象就可以直接进入老年代，无须等到 MaxTenuringThreshold 中要求的年龄。
空间分配担保
在发生 Minor GC 之前，虚拟机会先检查老年代最大可用的连续空间是否大于新生代所有对象总空间，如果这个条件成立，那么 Minor GC 可以确保是安全的。如果不成立，则虚拟机会查看 HandlePromotionfailure 设置值是否允许担保失败。如果允许，那么会继续检查老年代最大可用的连续空间是否大于历次晋升到老年代对象的平均大小，如果大于，将尝试着进行一次 Minor GC，尽管这次 Minor GC 是有风险的；如果小于，或者 HandlePromotionfailure 设置不允许冒险，那这时也要改为进行一次 Full GC。
在 JDK 6 Update 24 之后，HandlePromotionfailure 参数不会再影响到虚拟机的空间分配担保策略，虽然源码中还定义了 HandlePromotionfailure 参数，但是在代码中已经不会再使用它。JDK 6 Update 24 之后的规则变为只要老年代的连续空间大于新生代对象总大小或者历次晋升的平均大小就会进行 Minor GC，否则将进行 Full GC。
参考博文
[1].《深入理解 Java 虚拟机：JVM 高级特效与最佳实现》，第 3 章
注脚
[1]. Monitor GC 和 Full GC 有什么不一样？
新生代 GC（Monitor GC）：指发生在新生代的垃圾收集动作，因为 Java 对象大多都具备朝生夕灭的特征，所有 Monitor GC 非常频繁，一般回收速度也比较快。
老年代 GC（Major GC / Full GC）：指发生在老年代的垃圾收集动作，出现了 Major GC，经常会伴随至少一次的 Monitor GC（但非绝对的，在 ParallelScavenge 收集器的收集策略里就有直接进行 Major GC 的策略选择过程）。Major GC 的速度一般会比 Monitor GC 慢 10 倍以上。
[2]. -XX:PretenureSizeThreshold：PretenureSizeThreshold 参数只对 Serial 和 ParNew 两款收集器有效，Parallel Scavenge 收集器不认识这个参数，Parallel Scavenge 一般不需要设置。如果遇到必须使用此参数的场合，可以考虑 ParNew 加 CMS 的收集器组合。
深入理解 Java 虚拟机系列
- 深入理解 Java 虚拟机（一）：Java 内存区域与内存溢出异常
- 深入理解 Java 虚拟机（二）：JVM 垃圾收集器
- 深入理解 Java 虚拟机（三）：内存分配与回收策略
- 深入理解 Java 虚拟机（四）：Jvm 性能监控与调优
