Java對象的分配，根據其過程，將其分為快速分配和慢速分配兩種形式，其中快速分配使用無鎖的指針碰撞技術在新生代的Eden區上進行分配，而慢速分配根據堆的實現方式、GC的實現方式、代的實現方式不同而具有不同的分配調用層次。
下面就以bytecodeInterpreter解釋器對於new指令的解釋出發，分析實例對象的內存分配過程：
一、快速分配
1.實例的創建首先需要知道該類型是否被加載和正確解析，根據字節碼所指定的CONSTANT_Class_info常量池索引，獲取對象的類型信息並調用is_unresovled_klass()驗證該類是否被解析過，在創建類的實例之前，必須確保該類型已經被正確加載和解析。
CASE(_new): {
u2 index = Bytes::get_Java_u2(pc+1);
constantPoolOop constants = istate->method()->constants();
if (!constants->tag_at(index).is_unresolved_klass()) {
2.接下來獲取該類型在虛擬機中的表示instanceKlass(具體可以參考前文實例探索Java對象的組織結構)
oop entry = constants->slot_at(index).get_oop();
assert(entry->is_klass(), "Should be resolved klass");
klassOop k_entry = (klassOop) entry;
assert(k_entry->klass_part()->oop_is_instance(), "Should be instanceKlass");
instanceKlass* ik = (instanceKlass*) k_entry->klass_part();
3.當類型已經被初始化並且可以被快速分配時，那麼將根據UseTLAB來決定是否使用TLAB技術(Thread-Local Allocation Buffers，線程局部分配緩存技術)來將分配工作交由線程自行完成。TLAB是每個線程在Java堆中預先分配了一小塊內存，當有對象創建請求內存分配時，就會在該塊內存上進行分配，而不需要在Eden區通過同步控制進行內存分配。
if ( ik->is_initialized() && ik->can_be_fastpath_allocated() ) {
size_t obj_size = ik->size_helper();
oop result = NULL;
// If the TLAB isn't pre-zeroed then we'll have to do it
bool need_zero = !ZeroTLAB;
if (UseTLAB) {
result = (oop) THREAD->tlab().allocate(obj_size);
}
if (result == NULL) {
need_zero = true;
4.如果不使用TLAB或在TLAB上分配失敗，則會嘗試在堆的Eden區上進行分配。Universe::heap()返回虛擬機內存體系所使用的CollectedHeap，其top_addr()返回的是Eden區空閒塊的起始地址變量_top的地址，end_addr()是Eden區空閒塊的結束地址變量_end的地址。故這裡compare_to是Eden區空閒塊的起始地址，new_top為使用該塊空閒塊進行分配後新的空閒塊起始地址。這裡使用CAS操作進行空閒塊的同步操作，即觀察_top的預期值，若與compare_to相同，即沒有其他線程操作該變量，則將new_top賦給_top真正成為新的空閒塊起始地址值，這種分配技術叫做bump-the-pointer(指針碰撞技術)。
retry:
HeapWord* compare_to = *Universe::heap()->top_addr();
HeapWord* new_top = compare_to + obj_size;
if (new_top <= *Universe::heap()->end_addr()) {
if (Atomic::cmpxchg_ptr(new_top, Universe::heap()->top_addr(), compare_to) != compare_to) {
goto retry;
}
result = (oop) compare_to;
}
}
5.根據是否需要填0選項，對分配空間的對象數據區進行填0
if (result != NULL) {
// Initialize object (if nonzero size and need) and then the header
if (need_zero ) {
HeapWord* to_zero = (HeapWord*) result + sizeof(oopDesc) / oopSize;
obj_size -= sizeof(oopDesc) / oopSize;
if (obj_size > 0 ) {
memset(to_zero, 0, obj_size * HeapWordSize);
}
}
6.根據是否使用偏向鎖，設置對象頭信息，然後設置對象的klassOop引用(這樣對象本身就獲取了獲取類型數據的途徑)
if (UseBiasedLocking) {
result->set_mark(ik->prototype_header());
} else {
result->set_mark(markOopDesc::prototype());
}
result->set_klass_gap(0);
result->set_klass(k_entry);
7.把對象地址引入棧，並繼續執行下一個字節碼
SET_STACK_OBJECT(result, 0);
UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(3, 1);
8.若該類型沒有被解析，就會調用InterpreterRuntime的_new函數完成慢速分配
// Slow case allocation
CALL_VM(InterpreterRuntime::_new(THREAD, METHOD->constants(), index),
handle_exception);
SET_STACK_OBJECT(THREAD->vm_result(), 0);
THREAD->set_vm_result(NULL);
UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(3, 1);
以上就是快速分配的過程，其流程圖如下，關鍵在於快速分配在Eden區所使用的無鎖指針碰撞技術
二、慢速分配
接下來看看慢速分配是如何進行的：
1.InterpreterRuntime的_new函數定義在/hotspot/src/share/vm/interpreter/interpreterRuntime.cpp中：
IRT_ENTRY(void, InterpreterRuntime::_new(JavaThread* thread, constantPoolOopDesc* pool, int index))
klassOop k_oop = pool->klass_at(index, CHECK);
instanceKlassHandle klass (THREAD, k_oop);
// Make sure we are not instantiating an abstract klass
klass->check_valid_for_instantiation(true, CHECK);
// Make sure klass is initialized
klass->initialize(CHECK);
oop obj = klass->allocate_instance(CHECK);
thread->set_vm_result(obj);
IRT_END
該函數在進行了對象類的檢查(確保不是抽象類)和對該類型進行初始化後，調用instanceKlassHandle的allocate_instance進行內存分配。
其中instanceKlassHandle類由DEF_KLASS_HANDLE宏進行聲明，注意該類重載了成員訪問運算符”->”，這裡的一系列成員方法的訪問實際上是instanceKlass對象的訪問。
type* operator -> () const { return (type*)obj()->klass_part(); }
2.所以實際上是調用了instanceKlass的allocate_instance()成員函數：
allocate_instance()定義在/hotspot/src/share/vm/oops/instanceKlass.cpp
(1).檢查是否設置了Finalizer函數，獲取對象所需空間的大小
instanceOop instanceKlass::allocate_instance(TRAPS) {
bool has_finalizer_flag = has_finalizer(); // Query before possible GC
int size = size_helper(); // Query before forming handle.
(2).調用CollectedHeap的obj_allocate()創建一個instanceOop(堆上的對象實例)，並根據情況注冊Finalizer函數
KlassHandle h_k(THREAD, as_klassOop());
instanceOop i;
i = (instanceOop)CollectedHeap::obj_allocate(h_k, size, CHECK_NULL);
if (has_finalizer_flag && !RegisterFinalizersAtInit) {
i = register_finalizer(i, CHECK_NULL);
}
return i;
3.CollectedHeap::ojb_allocate()定義在/hotspot/src/share/vm/gc_interface/CollectedHeap.hpp中，它將轉而調用內聯函數obj_allocate()
4.obj_allocate()定義在/hotspot/src/share/vm/gc_interface/CollectedHeap.inline.h中，若當正處於gc狀態時，不允許進行內存分配申請，否則將調用common_mem_allocate_init()進行內存分配並返回獲得內存的起始地址，隨後將調用post_allocation_setup_obj()進行一些初始化工作
oop CollectedHeap::obj_allocate(KlassHandle klass, int size, TRAPS) {
//...assert
HeapWord* obj = common_mem_allocate_init(size, false, CHECK_NULL);
post_allocation_setup_obj(klass, obj, size);
NOT_PRODUCT(Universe::heap()->check_for_bad_heap_word_value(obj, size));
return (oop)obj;
}
5.common_mem_allocate_init()分為兩部分，將分別調用common_mem_allocate_noinit()進行內存空間的分配和調用init_obj()進行對象空間的初始化
HeapWord* CollectedHeap::common_mem_allocate_init(size_t size, bool is_noref, TRAPS) {
HeapWord* obj = common_mem_allocate_noinit(size, is_noref, CHECK_NULL);
init_obj(obj, size);
return obj;
}
6.common_mem_allocate_noinit()如下：
(1).若使用了本地線程分配緩沖TLAB，則會調用allocate_from_tlab()嘗試從TLAB中分配內存
HeapWord* result = NULL;
if (UseTLAB) {
result = CollectedHeap::allocate_from_tlab(THREAD, size);
if (result != NULL) {
assert(!HAS_PENDING_EXCEPTION,
"Unexpected exception, will result in uninitialized storage");
return result;
}
}
(2).否則會調用堆的mem_allocate()嘗試分配
bool gc_overhead_limit_was_exceeded = false;
result = Universe::heap()->mem_allocate(size,
is_noref,
false,
&gc_overhead_limit_was_exceeded);
(3).統計分配的字節數
if (result != NULL) {
//...
THREAD->incr_allocated_bytes(size * HeapWordSize);
return result;
}
(4).否則說明申請失敗，若在申請過程中gc沒有超時，則拋出OOM異常
if (!gc_overhead_limit_was_exceeded) {
// -XX:+HeapDumpOnOutOfMemoryError and -XX:OnOutOfMemoryError support
report_java_out_of_memory("Java heap space");
if (JvmtiExport::should_post_resource_exhausted()) {
JvmtiExport::post_resource_exhausted(
JVMTI_RESOURCE_EXHAUSTED_OOM_ERROR | JVMTI_RESOURCE_EXHAUSTED_JAVA_HEAP,
"Java heap space");
}
THROW_OOP_0(Universe::out_of_memory_error_java_heap());
7.對象內存分配後的初始化過程包括兩部分，一個是init_obj()完成對對象內存空間的對齊和填充，一個是post_allocation_setup_obj()對堆上的oop對象進行初始化。
(1).init_obj()：
void CollectedHeap::init_obj(HeapWord* obj, size_t size) {
assert(obj != NULL, "cannot initialize NULL object");
const size_t hs = oopDesc::header_size();
assert(size >= hs, "unexpected object size");
((oop)obj)->set_klass_gap(0);
Copy::fill_to_aligned_words(obj + hs, size - hs);
}
hs就是對象頭的大小，fill_to_aligned_words將對象空間除去對象頭的部分做填0處理，該函數定義在/hotspot/src/share/vm/utilities/copy.h中，並轉而調用pd_fill_to_aligned_words()。
pd_fill_to_aligned_words根據不同平台實現，以x86平台為例，該函數定義在/hotspot/src/cpu/x86/vm/copy_x86.h中：
static void pd_fill_to_words(HeapWord* tohw, size_t count, juint value) {
#ifdef AMD64
julong* to = (julong*) tohw;
julong v = ((julong) value << 32) | value;
while (count-- > 0) {
*to++ = v;
}
#else
juint* to = (juint*)tohw;
count *= HeapWordSize / BytesPerInt;
while (count-- > 0) {
*to++ = value;
}
#endif // AMD64
}
該函數的作用就是先將地址類型轉換，然後把堆的字數轉化為字節數，再對該段內存進行填值(value = 0)處理
(2).post_allocation_setup_obj()調用了post_allocation_setup_common()進行初始化工作，然後調用post_allocation_notify()通知JVMTI和dtrace
void CollectedHeap::post_allocation_setup_obj(KlassHandle klass,
HeapWord* obj,
size_t size) {
post_allocation_setup_common(klass, obj, size);
assert(Universe::is_bootstrapping() ||
!((oop)obj)->blueprint()->oop_is_array(), "must not be an array");
// notify jvmti and dtrace
post_allocation_notify(klass, (oop)obj);
}
post_allocation_setup_common()如下：
void CollectedHeap::post_allocation_setup_common(KlassHandle klass,
HeapWord* obj,
size_t size) {
post_allocation_setup_no_klass_install(klass, obj, size);
post_allocation_install_obj_klass(klass, oop(obj), (int) size);
}
post_allocation_setup_no_klass_install()根據是否使用偏向鎖，設置對象頭信息等，即初始化oop的_mark字段。post_allocation_install_obj_klass()設置對象實例的klassOop引用，即初始化oop的_metadata(_klass/_compressed_klass)字段 。
以上內容就是堆實現無關的慢速分配過程，其流程圖如下：
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