1、简述
在 Java 中，对象的创建虽然看起来只是一个简单的 new 操作，实际上背后涉及了复杂的内存分配策略。本文将深入介绍 JVM 内存管理中的两个重要概念：指针碰撞（Pointer Bump） 和 空闲列表（Free List），并结合实例讲解其应用与性能差异。
2、对象分配的背景
在 Java 虚拟机中，当程序通过 new 创建一个对象时，JVM 会从堆（Heap）中分配内存。JVM 的内存分配策略主要取决于堆内存的组织方式。
常见的堆结构：
🔹 连续堆空间（如新生代 Eden 区）
🔹 非连续堆空间（如老年代或存在内存碎片时）
基于这些结构，就产生了两种不同的内存分配方式：指针碰撞 和 空闲列表。
3、指针碰撞（Pointer Bump）
原理说明
当堆是连续空间时，比如新生代的 Eden 区，JVM 可以用一个“指针”指向堆的下一个可用内存地址。
每次分配新对象时，只需将该指针向前“碰撞”指定的字节数，完成分配。这种方式就叫做指针碰撞（Bump-the-pointer）。
内存布局示意图
| Used Memory | Free Space |
↑
Allocation Pointer
当创建新对象时：
allocation_pointer += object_size;
特点
🔹 分配速度极快，几乎是线性增长。
🔹 不需要记录空闲块链表，适用于内存碎片较少的场景。
🔹常用于新生代（Eden）对象分配。
4、空闲列表（Free List）
原理说明
当堆是非连续空间或存在大量内存碎片时（如老年代），JVM 会维护一个空闲块列表（Free List）。每次分配对象时，从列表中查找符合大小要求的内存块进行分配。
内存布局示意图
Free List: [Block A (32B)] → [Block B (64B)] → [Block C (128B)] ...
分配时从链表中找到最合适的块（First Fit / Best Fit），并进行分配。
特点
🔹 内存使用更灵活，适合回收后的堆碎片。
🔹 分配速度慢于指针碰撞。
🔹 常用于老年代（Tenured）对象分配。
5、JVM 如何选择分配方式？
JVM 中的对象分配方式由以下条件决定：
🔹 是否启用内存压缩（UseCompressedOops）
🔹堆是否连续
🔹 GC 类型（如 G1、CMS）
🔹 是否开启线程本地分配缓冲区（TLAB）
在新生代中，特别是 Eden 区，JVM 多采用指针碰撞方式。而在老年代或非压缩内存布局下，则更多使用空闲列表。
6、实践样例（日志观测）
虽然我们不能直接操控 JVM 的分配方式，但可以借助参数与 GC 日志分析其行为。
示例代码
public class AllocationTest {
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10_000; i++) {
byte[] data = new byte[1024]; // 每次分配 1KB
}
}
}
JVM 启动参数：
java -XX:+UseSerialGC -Xms32m -Xmx32m -XX:+PrintGCDetails AllocationTest
查看 GC 日志，可以观察 Eden 区是否频繁分配、是否触发 Minor GC：
[GC (Allocation Failure) [DefNew: 8192K→1024K(9216K), 0.0034286 secs] ...
表示 Eden 区采用指针碰撞分配，但内存不足时触发了 GC。
TLAB：线程本地分配缓冲区（加速指针碰撞）
为了加快多线程环境下的对象分配，JVM 引入了 TLAB。每个线程分配一块私有内存区域，用于快速进行指针碰撞。
可通过以下参数观察其启用状态：
-XX:+UseTLAB -XX:+PrintTLAB
7、总结
| 维度 | 指针碰撞（Pointer Bump） | 空闲列表（Free List） |
|---|---|---|
| 适用内存结构 | 连续堆（如新生代） | 非连续堆（如老年代） |
| 分配速度 | 极快 | 较慢（遍历空闲块） |
| 是否支持碎片 | ❌ 不支持 | ✅ 支持 |
| 线程安全性 | 需配合 TLAB 或加锁 | 需加锁 |
理解指针碰撞与空闲列表，有助于你：
🔹理解 JVM 内存分配背后的策略与优化
🔹分析 GC 日志中的行为与瓶颈
🔹 编写性能友好的代码，尽可能让对象在新生代短命
在实际项目中，建议结合 jstat、VisualVM、GC Viewer 等工具，深入分析对象分配与内存回收过程。
