面試官：Java中對象都存放在堆中嗎？你知道逃逸分析？

2022 年 3 月 14 日
筆記

面試官：Java虛擬機的記憶體分為哪幾個區域？

我（微笑著）：程式計數器、虛擬機棧、本地方法棧、堆、方法區

面試官：對象一般存放在哪個區域？

我：堆。

面試官：對象都存放在堆中嗎？

我：是的。

面試官：你了解過逃逸分析嗎？

我（皺了皺眉）：是記憶體溢出嗎？

面試官：不是的。

我（撓了撓頭）：不是很了解。

面試官：今天的面試先到這，回去等消息吧！

然後就沒有然後了，不甘心的我開始了查找相關資料。

逃逸分析

逃逸分析（Escape Analysis）是一種確定對象的引用動態範圍的分析方法，說人話就是：分析在程式的哪些地方可以訪問到對象的引用。

當一個對象在方法中被分配時，該對象的引用可能逃逸到其它執行執行緒中，或是返回到方法的調用者。

如果一個方法中分配一個對象並返回一個該對象的引用針，那麼該對象可能被訪問到的地方就無法確定，此時對象的引用就發生了「逃逸」。
如果對象的引用存儲在靜態變數或者其它數據結構中，因為靜態變數是可以在當前方法之外訪問到，此時對象的引用也發生了「逃逸」。

逃逸分析確定某個對象的引用可以被訪問的所有地方，以及確定能否保證對象的引用的生命周期只在當前進程或執行緒中。

逃逸狀態

對象的逃逸狀態一般分為三種：全局逃逸、參數逃逸、沒有逃逸。

全局逃逸（GlobalEscape）

對象的引用逃出了方法或者執行緒。比如：對象的引用賦值給了一個靜態變數，或者存儲在一個已經逃逸的對象中, 或者對象的引用作為方法的返回值給了調用方法。

比如餓漢的單例模式：

package one.more;

public final class GlobalEscape {

    // instance對象賦值給了一個靜態變數，發生了全局逃逸
    private static GlobalEscape instance = new GlobalEscape();

    private GlobalEscape() {
    }

    public static GlobalEscape getInstance() {
        return instance;
    }
}

參數逃逸（ArgEscape）

對象被作為方法參數傳遞或者被參數引用，但在調用過程中不會發生全局逃逸。這個狀態是通過分析被調用方法的位元組碼來確定的。

比如:

package one.more;

public class ArgEscape {

    class Rectangle {

        private int length;
        private int width;

        public Rectangle(int length, int width) {
            this.length = length;
            this.width = width;
        }

        public int getArea() {
            return this.length * this.width;
        }
    }

    public int getArea(int length, int width) {
        Rectangle rectangle = buildRectangle(length, width);
        return rectangle.getArea();
    }

    private Rectangle buildRectangle(int length, int width){
        Rectangle rectangle = new Rectangle(length, width);
        // rectangle對象發生了參數逃逸
        return rectangle;
    }
}

沒有逃逸（NoEscape）

方法中的對象沒有發生逃逸，這意味著可以不將該對象分配在堆上。

比如:

package one.more;

public class NoEscape {

    class Rectangle {

        private int length;
        private int width;

        public Rectangle(int length, int width) {
            this.length = length;
            this.width = width;
        }

        public int getArea() {
            return this.length * this.width;
        }
    }

    public int getArea(int length, int width) {
        // rectangle對象沒有逃逸
        Rectangle rectangle = new Rectangle(length, width);
        return rectangle.getArea();
    }
}

逃逸分析後的優化

如果一個對象沒有發生逃逸，或者只有參數逃逸，就可能為這個對象採取不同程度的優化，比如：棧上分配、標量替換、同步消除。

棧上分配（Stack Allocations）

如果一個對象不會逃逸出執行緒之外，那讓這個對象在棧上分配記憶體將會是一個很不錯的主意，對象所佔用的記憶體空間就可以隨棧幀出棧而銷毀。
那麼，對象就會隨著方法的結束而自動銷毀了，可以降低垃圾收集器運行的頻率，垃圾收集的壓力就會下降很多。

標量替換（Scalar Replacement）

標量（Scalar）是指一個無法再分解成更小的數據的數據。Java虛擬機中的基本數據類型（int、long等數值類型及reference類型等）都不能再進一步分解了，那麼這些數據就可以被稱為標量。相對的，如果一個數據可以繼續分解，那它就被稱為聚合量（Aggregate），Java中的對象就是典型的聚合量。

如果把一個Java對象拆散，根據程式訪問的情況，將其用到的成員變數恢復為基本類型來訪問，這個過程就稱為標量替換。

如果一個對象沒有發生逃逸，可以進行標量替換，那麼對象的成員變數就在棧上分配和讀寫，不需要分配到堆中。

標量替換可以視作棧上分配的一種特例，實現更簡單，但對逃逸程度的要求更高，它不允許對象沒有發生逃逸。

同步消除（Synchronization Elimination）

執行緒同步本身是一個相對耗時的過程，如果一個對象沒有逃逸出執行緒，無法被其他執行緒訪問，那麼該對象的讀寫肯定就不會有競爭，對該對象實施的同步加鎖操作也就可以安全地消除掉。

總結

說了這麼多，可以發現對象並不是都在堆上分配記憶體的。因為通過逃逸分析後，可以對沒有逃逸的對象進行標量替換。

另外，由於複雜度等原因，HotSpot中目前還不支援棧上分配的優化。

最後，謝謝你這麼帥，還給我點贊和關注。

微信公眾號：萬貓學社

微信掃描二維碼

關注後回復「電子書」

獲取12本Java必讀技術書籍