并发的老生代回收内存管理(内存对象节点老生并发)

所以缓存列表用于响应小对象的分配，树结构用于响应大对象或者缓存列表的分配。
具体思路是，定义[0,256]共计257字的缓存列表，如图4-18所示。

图4-18 多条固定长度的链表管理内存

在图4-18中，字长小于3字的缓存列表实际上并未使用，因为在JVM内部一个对象最少占用3字，主要原因是每个对象都必须有一个对象头，而对象头的大小为2字，而为了区别不同的空对象，会为每个空对象增加一个额外的字空间，所以一个对象的大小最小为3字。

另外，老生代还设置了一块专门用于处理超小对象的分配缓存空间，该缓存称为LinearAllocBlock（简称LAB）。
其思路是，当缓存列表无法满足超小对象的分配请求时，从该缓存中分配对象，超小对象的上限为16字。
设计超小对象的缓存的目的有两个：加速超小对象的分配效率；减少超小对象占用空闲列表，避免超小对象导致的内存碎片问题。
LinearAllocBlock也是一个内存块，如图4-19所示。

图4-19 避免碎片化的小对象缓存[1]

从LAB分配的对象通常都是小对象（小于16字），需要将已经分配的对象统计到IndexedFreeList的数组中（在合并时需要这些信息）。
如果对象被释放，可以直接放到IndexedFreeList中。
注意，LAB预分配的空间从二叉树中获取，但是LAB仅仅是预分配空间，所以LAB的内存不能和空闲的内存块合并。

而大内存块采用的存储结构是如图4-4所示的二叉树+链表的管理形式。

老生代存在3种管理方式，分别为固定列表、LAB和二叉树。
内存分配的流程图如图4-20所示。

图4-20 老生代对象分配流程图

从另一个角度出发，当发现内存空闲时，需要使用指针将内存块关联到空闲列表，这需要占用内存。
而内存块空闲或者内存块被分配给对象这两种情况不可能同时存在，所以可以将内存块前面的空间进行复用：当内存块用于对象分配时，内存块的空间被识别为元数据；当内存块位于空闲列表中时，内存块的空间被用作指针（维护链表或者树结构）。
空间的复用减少了额外内存的占用。

在介绍内存复用前先来回顾一下对象的内存布局。
关于Java的对象，在JVM内部使用instanceOop来表示，其内存布局如图4-21所示。

图4-21 JVM对象内存布局示意图

其中markoop是元数据信息，可以保存hashcode、锁信息、gc状态信息等；klass是指向Java对象所属的Java类的指针；field是Java对象的成员变量。

在老生代的内存管理中使用两种类型的数据结构，分别是二叉树和链表。
其中链表直接管理空闲内存块，树管理空闲链表。
链表管理时需要链表节点（list node）来辅助，链表节点至少需要两个子指针，分别指向前序节点和后序节点，当空闲块长度未知时还需要一个表示长度的字段。
二叉树需要树节点（tree node）辅助管理，树节点至少需要3个字段，分别是指向父节点、左子树和右子树的指针。
比较树节点和链表节点的结构可以将其共同抽象为使用3个字段的结构，包含大小和两个指针，如图4-22所示。

图4-22 树和链表管理结构示意图

从二叉树和链表的管理结构来看，每个树节点和链表节点都需要占用额外的内存空间。
在树节点和链表节点比较多的场景中，会因为辅助的内存管理结构带来不小的额外空间消耗。
另外，还需要考虑这些空间消耗是使用本地内存还是堆内存，如何分配和释放这些内存，确保不会出现内存不足或者内存碎片等问题。
为了解决上述问题，CMS的老生代在堆内存中分配管理结构的内存，同时将管理结构和对象头进行复用。
首先内存用于对象时表示内存已使用，而内存用于管理结构时表示内存是空闲的，两者的状态是不会重复的；其次比较instanceOop和管理结构，可以发现它们都至少包含了2字的有效信息，所以可以直接将同一内存的字段复用。

内存用于Java对象分配时，内存块直接解析为instanceOop的结构。

内存空闲时，被复用为管理结构。

通过复用可以减少因内存管理带来的内存消耗。
但是这也为实现带来了一定的复杂性。

图4-22仅仅是演示内存可以复用的一个抽象结构示意图。
要实现内存复用，除了对数据结构需要仔细斟酌外，实现中还需要诸多的考量。
比如从二叉树获取一个空闲内存块时，该选取哪个内存块？

通过上面的介绍，可以发现树节点和链表节点有所不同，但是树节点和链表节点都描述了相同大小的空闲内存块。
所以树节点本质上是第一个链表的节点，但是为了方便管理，将树节点和链表区分开来。
在使用内存块时，优先使用链表的内存块，主要原因是当树节点被用于分配时，需要对二叉树进行重构（保持平衡），成本比较高；只有当树节点关联的链表全部使用完后才会使用树节点。

需要注意的是，JVM中树节点管理内存块均大于256字，所以一个树节点同时包含一个链表节点并不困难。
在JVM中，树节点的结构被称为TreeList，

其内存布局如图4-23所示。

图4-23 JVM中树节点内存管理示意图

当然，内存空间复用可以减少额外内存消耗，但是也增加了额外的复杂性。
第一个方面表现在内存块的分配上，内存块既需要满足对象对齐要求，又需要满足接入链表的要求。
在32位系统中要求剩余的内存块必须大于3字。

这在某些情况下会带来一些问题。
例如内存块大小为1022字，遇到一个请求为1020字。
从分配的角度来看，1022字完全可以响应1020字大小的请求，只不过在满足分配请求后，还剩余2字。
但是由于2字的内存块无法接入内存链表中，因此JVM会拒绝这次分配请求。

第二个方面表现在代码实现的复杂性上。
老生代回收是并发执行，意味着Mutator可以在老生代回收的过程中在老生代中分配对象。
分配对象实际上包含两个动作：第一是内存分配的请求；第二是对象的初始化。

但是由于并发运行，很有可能Mutator在完成内存分配后，尚未完成对象的初始化时，GC线程访问了这一内存块，然而由于对象尚未完成初始化，即对象的元数据尚未正确设置，我们知道对象的元数据中包含了对象的大小，对于这样的情况则无法通过元数据获取对象的大小。
如果需要对象的大小，该如何处理？这就需要额外的代码来处理这样的情况。
关于这一问题的详细描述和解决方法在后文介绍。