《JVM G1源码分析和调优》 —2.5　内存分配和管理

2.5　内存分配和管理

C/C++程序员和Java程序员最大的区别之一就是对内存管理的工作，Java程序员不需要管理内存，因为有JVM帮助管理。所以JVM的所谓开发必然涉及内存的分配和管理。我们这里尽可能地简化描述内存分配和管理，只描述和GC算法相关的部分。本质上来说，了解这一部分内容越多，特别是了解JVM如何与操作系统交互的部分，越容易对JVM调优。

JVM作为内存分配的管理器，一定涉及如何与内存交互。那么JVM是如何管理内存的？实际上内存管理的算法很多，简单来说JVM从操作系统申请一块内存，然后根据不同的GC算法进行管理。下面以Linux为例看一下JVM是如何做的。

首先JVM先通过操作系统的系统调用（system call）进行内存的申请，典型的就是mmap。在这里提一个问题，众所周知glibc提供了我们常用的内存管理函数如malloc/free/realloc/memcopy/memset等。为什么JVM不直接使用这些函数？glibc里面的malloc也是通过mmap等系统调用来完成内存的分配，之后glibc再对已经分配到的内存进行管理。GC算法实现了一套自己的管理方式，所以再基于malloc/free实现效率肯定不高。mmap必须以PAGE_SIZE为单位进行映射，而内存也只能以页为单位进行映射，若要映射非PAGE_SIZE整数倍的地址范围，要先进行内存对齐，强行以PAGE_SIZE的倍数大小进行映射。还要注意一点，操作系统对内存的分配管理典型地分为两个阶段：保留（reserve）和提交（commit）。保留阶段告知系统从某一地址开始到后面的dwSize大小的连续虚拟内存需要供程序使用，进程其他分配内存的操作不得使用这段内存；提交阶段将虚拟地址映射到对应的真实物理内存中，这样这块内存就可以正常使用。

对于保留和提交，Windows在使用VirtualAlloc分配内存时传递不同的参数MEM_RESERVE/MEM_COMMIT，Linux在mmap保留内存时使用MAP_PRIVATE | MAP_NORESERVE | MAP_ANONYMOUS，提交内存时使用MAP_PRIVATE | MAP_FIXED | MAP_ANONYMOUS。其中MAP_NORESERVE指不要为这个映射保留交换空间，MAP_FIXED使用指定的映射起始地址。

在JVM中我们还看到了使用类库函数malloc/free的地方。这和JVM内存管理策略有关，JVM内部也有很多数据需要在堆中分配，而这和Java堆空间没有关系，所以直接使用类库函数。另外需要提一下JVM推荐使用jemalloc替代glibc，原因是其效率更高。

JVM中常见的对象类型有以下6种：

ResourceObj：线程有一个资源空间（Resource Area），一般ResourceObj都位于这里。定义资源空间的目的是对JVM其他功能的支持，如CFG、在C1/C2优化时可能需要访问运行时信息（这些信息可以保存在线程的资源区）。

StackObj：栈对象，声明的对象使用栈管理。其实栈对象并不提供任何功能，且禁止New/Delete操作。对象分配在线程栈中，或者使用自定义的栈容器进行管理。

ValueObj：值对象，该对象在堆对象需要进行嵌套时使用，简单地说就是对象分配的位置和宿主对象（即拥有这个ValueObj对象的对象）是一样的。

AllStatic：静态对象，全局对象，只有一个。值得一提的是C++中静态对象的初始化并没有通过规范保证，可能会有一个问题，就是两个静态对象相互依赖，那么在初始化的时候可能出错。JVM中的很多静态对象的初始化，都是显式调用静态初始化函数。

MetaspaceObj：元对象，比如InstanceKlass这样的元数据就是元对象。

CHeapObj：这是堆空间的对象，由new/delete/free/malloc管理。其包含的内容很多，比如Java对象、InstanceOop（后面提到的G1对象分配出来的对象）。除了Java对象，还有其他的对象也在堆中。

JVM中为了准确描述这些堆中的对象，以方便对JVM进行优化，所以又定义了更具体的子类型，代码如下所示：

hotspot/src/share/vm/memory/allocation.hpp

// JVM中使用的内存类型

  mtJavaHeap          = 0x00,  // Java堆

  mtClass             = 0x01,  // JVM中Java类

  mtThread            = 0x02,  // JVM中线程对象

  mtThreadStack       = 0x03,

  mtCode              = 0x04,  // JVM中生成的编译代码

  mtGC                = 0x05,  // GC的内存

  mtCompiler          = 0x06,  // 编译器使用的内存

  mtInternal          = 0x07,  // JVM中内部使用的类型，不属于上述任何类型

  mtOther             = 0x08,  // 不是由JVM使用的内存

  mtSymbol            = 0x09,  // 符号表使用的内存

  mtNMT               = 0x0A,  // NMT使用的内存

  mtClassShared       = 0x0B,  // 共享类数据

  mtChunk             = 0x0C,  // Chunk用于缓存

  mtTest              = 0x0D,

  mtTracing           = 0x0E,

  mtNone              = 0x0F,

这些信息描述了JVM使用内存的情况，这一部分信息能够帮助定位JVM本身运行时出现的问题，我们将在最后的附录B中通过本地内存跟踪（Native Memory Tracking）来进一步解读这些信息。