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)
//定义在/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
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.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
else if (UseConcMarkSweepGC) {
#ifndef SERIALGC
if (UseAdaptiveSizePolicy) {
gc_policy = new ASConcurrentMarkSweepPolicy();
} else {
gc_policy = new ConcurrentMarkSweepPolicy();
}
(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
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).否则设置基础地址为0
else {
Universe::set_narrow_oop_base(0);
//...
}
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
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);
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：
//定义在/hotspot/src/share/vm/memory/collectorPolicy.cpp中
MarkSweepPolicy::MarkSweepPolicy() {
initialize_all();
}
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。
//hotspot/src/share/vm/memory/collectorPolicy.hpp中
virtual void initialize_all() {
initialize_flags();
initialize_size_info();
initialize_generations();
}
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::reseashrve_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。
bash// 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：
