Java对象一定分配在堆上吗？5min读懂逃逸分析

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2024-12-09

1. 引入

首先回答标题中的问题：Java对象一定会被分配到堆上吗？答案是：不一定。

Java中创建的对象一般会分配到堆上，当堆空间不足时，就会触发GC进行垃圾回收，但是GC次数太多会影响程序的性能。

在编译期间，编译器会对代码做很多优化，为了减少内存堆分配压力，JVM提供了一项重要优化技术：逃逸分析。逃逸分析得出的结论为后续优化措施提供依据。

2. 什么是逃逸分析

逃逸分析（Escape Analysis）：JVM提供的一种优化技术，用于分析对象会不会发生逃逸。

Q：如何理解逃逸？
逃逸可以理解为会不会在作用域范围外被调用。如：一个方法内定义的变量，会不会在这个方法外被使用，如果否，则认为未逃逸；如果是：则认为会发生逃逸，这就是方法逃逸。

根据上述的理解，可以分为不同的逃逸方式。对象的逃逸程度从高到低：

线程逃逸：一个对象在方法内被定义后，可能被外部线程访问，如：赋值给可以在其他线程中访问的实例变量；
方法逃逸：一个对象在方法内被定义后，可能会被外部方法引用；
不逃逸：仅在作用域范围内使用。

根据逃逸分析的结果来决定优化策略

3. 优化策略

3.1 栈上分配（`Stack Allocations`）

将对象分配到栈上，对象占用的内存空间可以随着栈帧出栈（即方法的结束）而销毁，这样垃圾收集的压力会下降很多。
整个过程通过判断对象，来决定其是否必须要存在堆上，如果不需要的话，则可以被分配到栈上，栈随着线程的消逝而消逝，这样能够减少了GC的频率，从而提高性能。
栈上分配支持方法逃逸，不支持线程逃逸。

【例如】

public void test(){
    Student s = new Student();
    s.setName("张三");
    s.setAge(22);
    System.out.println(s.getAge());
}

逃逸分析后得出的结论为：不逃逸，对象s只作用于该方法内，不会被其他方法/线程引用，所以该对象可以分配到栈上。

public Student test(){
    Student s = new Student();
    s.setName("张三");
    s.setAge(22);
    return s;
}

该方法的返回值为Student对象，逃逸分析后，得出的结论是：对象s可能会被其他方法/线程引用，所以该对象只能分配到堆上。

3.2 标量替换（`Scalar Replacement`）

Q：什么是标量？
标量可以理解为：不可拆解的数据，如：int，long等数值类型。
与之相对的概念为聚合量（Aggregate）：即可以拆解的数据，如：Java中的对象。

标量替换就是将Java对象拆散，根据程序访问的情况，将其用到的成员变量恢复到原始类型来访问。

这样做的好处：对象的成员变量在栈上分配和读写；为后续进一步优化创造条件。可以将标量替换看作栈上分配的一种特例，实现更加简单，但对逃逸的要求更高，不允许对象逃逸出方法范围内。

【例如】

//标量替换前的代码
public static void main(String[] args) {
   User user =  new User("张三",33);
   System.out.println("姓名:" + s.getName() + " 年龄:" + s.getAge());
}

// 标量替换后的代码
public static void main(String[] args) {
   String name = "张三";
   int age = 33;
   System.out.println("姓名:" + name + " 年龄:" + age);
}