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Java对象内存模型、如何判定对象已死亡？

article 2025/8/31 2:00:42

一、Java对象内存模型

Java对象在内存中由三部分组成：

含类元数据指针（指向方法区的Class对象）和Mark Word（存储对象哈希码、锁状态、GC分代年龄等信息）。

若为数组对象，还包含数组长度数据。

1，内存模型 -- Mark Word

Mark Word是Java对象头（Object Header）的核心部分，用于存储对象运行时元数据，其结构随锁状态和GC阶段动态变化。以下是32/64位系统下的典型布局：

‌1），无锁状态（Normal）‌

位域	内容
25/29bit	对象哈希码（hashCode）
4bit	对象分代年龄（GC年龄，最大15）
1bit	偏向锁标识（0表示未启用）
2bit	锁标志位（01）

‌2），偏向锁（Biased）‌

位域	内容
23/54bit	持有偏向锁的线程ID
2bit	Epoch（用于批量重偏向）
1bit	偏向锁标识（1表示启用）
2bit	锁标志位（01）

‌3），轻量级锁（Lightweight Lock）‌

位域	内容
30/62bit	指向栈中锁记录的指针
2bit	锁标志位（00）

‌4），重量级锁（Heavyweight Lock）‌

位域	内容
30/62bit	指向监视器（Monitor）的指针
2bit	锁标志位（10）

‌5），GC标记状态‌

位域	内容
30/62bit	空（未使用）
2bit	锁标志位（11）

关键设计原理‌

1）空间复用：通过锁标志位（最后2bit）区分不同状态，同一存储区域在不同阶段复用2。

2）锁升级优化：从无锁→偏向锁→轻量级锁→重量级锁逐步升级，减少同步开销35。

3）GC协作：分代年龄存储于Mark Word，配合可达性分析实现分代回收。

2，内存模型 -- Class Pointer

Class Pointer是Java对象头中的关键字段，用于指向方法区中该对象的类元数据（Class对象），其设计直接影响对象访问效率和内存占用。

核心作用‌

- - 类元数据关联‌：存储对象所属类的类型信息（如方法表、字段表等）。
- - 方法调用支持‌：通过类指针定位虚方法表（vtable）实现动态绑定。
- - GC与反射基础：为垃圾回收和反射操作提供类结构信息。

内存布局设计：

场景	指针大小	说明
‌64位系统（默认）‌	4字节(压缩)	启用`-XX:+UseCompressedClassPointers`
‌64位系统（关闭压缩）‌	8字节	需显式配置`-XX:-UseCompressedClassPointers`
‌32位系统‌	4字节	无压缩选项，固定大小

访问方式对比：

1）句柄访问

使用句柄访问，会在堆中开辟一块内存空间作为句柄池，句柄中储存了对象实例数据(属性值结构体) 的内存地址，访问类型数据的内存地址(类信息，方法类型信息)，对象实例数据一般也在heap中开辟，类型数据一般储存在方法区中。

优点	存储稳定的句柄地址，在对象被移动(gc) 时只会改变句柄中的实例数据指针，引用稳定。
缺点	增加了一次指针定位的时间开销。

2）直接指针访问:

直接指针访问方式指直接储存对象在heap中的内存地址，但对应的类型数据访问地址需要在实例中存储。

优点	节省了一次指针定位的开销
缺点	对象移动需更新所有引用

3，内存模型 -- 指针压缩

1），压缩的目的：

- - 为了保证CPU普通对象指针(oop)缓存

- - 为了减少GC的发生，因为指针不压缩是8字节，这样在64位操作系统的堆上其他资源空间就少了。

2），压缩条件‌：

- - 堆内存 ≤ 32GB（超过时压缩失效）。

- - 默认开启，通过-XX:+UseCompressedOops同时压缩对象引用指针。

内存大于32G后，指针压缩失效是因为：4G8 = 32G。32位系统的CPU 最大支持2^32 = 4G。如果是64位系统，最大支持 2^64，但是对其填充是按照8字节进行填充，指针压缩可以理解为在32位系统在64位上面使用，因为32位系统的CPU寻址空间最大支持4G，对其填充8 = 32G，这就是内存>32G指针压缩失效的原因。

关闭指针压缩：-XX:-UseCompressedOops

3，内存模型 -- 对齐填充‌

对齐填充的目的是，保证对象起始地址为8字节整数倍，提升内存访问效率。

‌内存对齐规则‌

32位系统默认4字节对齐，64位系统默认8字节对齐。
开启指针压缩（默认开启）时，对象头固定12字节，元数据指针由8字节压缩至4字节。
堆内存超过32GB时指针压缩失效，导致对象头膨胀。

二，JVM内存模型

内存模型分为私有区：进程计数器，虚拟机栈，本地方法栈。集线程共享区：堆和方法区。Java堆，是Java虚拟机管理的最大的一块内存，也是GC的主战场，里面存放的是几乎所有的对象实例和数组数据。

堆里面分为两个区域：新生代和老年代，新生代放新建的对象，当经过一定GC次数之后还存活的对象会放入老生代。新生代还有 3个区域：一个Eden +两个Survivor（S0/S1）。

垃圾回收的时候会将Eden中存活的对象放到一个未使用的Survivor中，并把当前的Endn和正在使用的 Survivor清除掉。

对象创建的过程是在堆上分配着实例对象，那么对象实例的具体结构如下：

对象的创建规则

- 对象优先分配在Eden区，如果Eden区没有足够的空间时，虚拟机执行一次Minor GC。
- 大对象直接进入老年代。这样做的目的是避免在Eden区和两个Survivor区之间发生大量的内存拷贝（新生代采用复制算法收集内存）。
- 长期存活的对象进入老年代。虚拟机为每个对象定义了一个年龄计数器，如果对象经过了1次Minor GC那么对象会进入Survivor区，之后每经过一次Minor GC那么对象的年龄加1，直到达到阀值对象进入老年区。
- 动态判断对象的年龄。如果Survivor区中相同年龄的所有对象大小的总和大于Survivor空间的一半，年龄大于或等于该年龄的对象可以直接进入老年代。
- 空间分配担保。每次进行Minor GC时，JVM会计算Survivor区移至老年区的对象的平均大小，如果这个值大于老年区的剩余值大小则进行一次Full GC，如果小于检查HandlePromotionFailure设置，如果true则只进行Monitor GC，如果false则进行Full GC。

三、对象死亡判定机制

1. 判定算法

‌1) 可达性分析（主流实现）‌

从GC Roots出发遍历引用链，未被链访问的对象标记为可回收

GC Roots包括‌：

- - 线程栈中的局部变量
  - 方法区中类静态变量
  - JNI引用的Native对象
  - 系统类加载器加载的Class对象

‌(2) 引用计数法（存在缺陷）‌

- 为对象维护引用计数器，引用增加时计数+1，失效时-1
- 无法解决循环引用问题（如对象A与B互相引用但无外部引用）

2. 判定流程

‌(1) 第一次标记‌
对象被判定不可达后，JVM标记为“待回收”并检查是否需要执行finalize()方法：

- 若对象未覆盖finalize()或已执行过，则直接回收

- 若有必要执行，对象进入F-Queue队列等待Finalizer线程触发

‌(2) 第二次标记‌

- finalize()执行期间若对象重新建立与GC Roots的引用链（如将this赋值给全局变量），则移出回收队列
- 未逃脱的对象最终被回收

3. 引用类型对回收的影响

引用类型	回收条件	典型应用场景
‌强引用‌	引用链断开即回收	普通对象赋值
‌软引用‌	内存不足时强制回收	缓存实现（如图片缓存）
‌弱引用‌	下次GC必定回收	WeakHashMap等容器
‌虚引用‌	仅用于跟踪对象回收状态	NIO DirectBuffer管理

‌注意‌：软/弱引用需配合ReferenceQueue使用，虚引用不能单独访问对象。

四、内存泄漏典型案例

场景示例：

javaCopy Code// 循环引用导致无法回收（即使外部引用置空）  
classNode {  Object data;  Node next;  
}  
Nodea=newNode();  
Nodeb=newNode();  
a.next = b;  
b.next = a;  
a = b = null;   // 对象仍互相引用，但已不可达:ml-citation{ref="4" data="citationList"}

‌排查工具‌：