Java对象与JVM（一） Java对象在Java虚拟机中的创建过程

Java对象与JVM（一）

Java对象在Java虚拟机中的创建过程

       在《Java内存区域 JVM运行时数据区》文章了解到Java中几乎所有的实例对象存储在Java堆内存中。

       下面我们详细了解Java程序中new一个普通对象时，HotSpot虚拟机是怎么样创建这个对象的，包括5个步骤：相应类加载检查过程、在Java堆中为对象分配内存、分配后内存初始化为零、对对象进行必要的设置、以及执行对象实例方法，最后我们再从JVM指令角度来解释下Java对象创建。

1、相应类加载检查过程

       通过《JVM字节码指令及反编译分析》可以知道：Java程序中的“new”操作会转换为Class文件中方法的“new”字节码指令。

       JVM（本文特指HotSpot）遇到new指令时，先检查指令参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用：

       （A）、如果能定位到，检查这个符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化过；

       （B）、如果不能定位到，或没有检查到，就先执行相应的类加载过程；

2、为对象分配内存

      对象所需内存的大小在类加载完成后便完全确定（JVM可以通过普通Java对象的类元数据信息确定对象大小）；

      为对象分配内存相当于把一块确定大小的内存从Java堆里划分出来；

（A）、分配方式：

（I）、指针碰撞

      如果Java堆是绝对规整的：一边是用过的内存，一边是空闲的内存，中间一个指针作为边界指示器；

      分配内存只需向空闲那边移动指针，这种分配方式称为"指针碰撞"（Bump the Pointer）；

（II）、空闲列表

      如果Java堆不是规整的：用过的和空闲的内存相互交错；

      需要维护一个列表，记录哪些内存可用；

      分配内存时查表找到一个足够大的内存，并更新列表，这种分配方式称为"空闲列表"（Free List）；

      Java堆是否规整由JVM采用的垃圾收集器是否带有压缩功能决定的；

      所以，使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，JVM采用指针碰撞方式分配内存；而使用CMS这种基于标记-清除（Mark-Sweep）算法的收集器时，采用空闲列表方式；

      后面再介绍垃圾收集算法和垃圾收集器，了解垃圾收集时应注意这里的内容；

（B）、线程安全问题

      并发时，上面两种方式分配内存的操作都不是线程安全的，有两种解决方案：

（I）、同步处理

      对分配内存的动作进行同步处理：

      JVM采用CAS（Compare and Swap）机制加上失败重试的方式，保证更新操作的原子性；

      CAS：有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做；

（II）、本地线程分配缓冲区

      把分配内存的动作按照线程划分在不同的空间中进行：

      在每个线程在Java堆预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲区（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）；

      哪个线程需要分配内存就从哪个线程的TLAB上分配；

      只有TLAB用完需要分配新的TLAB时，才需要同步处理；

JVM通过"-XX：+/-UseTLAB"指定是否使用TLAB；

3、对象内存初始化为零

      对象内存初始化为零，但不包括对象头；

      如果使用TLAB，提前至分配TLAB时；

      这保证了程序中对象（及实例变量）不显式初始赋零值，程序也能访问到零值；

4、对象内存初始化为零

      主要设置对象头信息，包括类元数据引用、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等（详见下节）；

5、执行对象实例方法

      该方法把对象（实例变量）按照程序中定义的初始赋值进行初始化；

        

      通常，经过上面5步对象才完全new出来。

      另外，还可以参考HotSpot虚拟机源码中的"bytecodeInterpreter.cpp"文件，这个文件有表示解释器处理"new"指令基本类似上面的5个过程。

6、Java对象创建的JVM指令

      通过前面一些文章，我们还可以从JVM指令的角度来看对象的创建过程：

（A）、new指令

      "new"指令有一个类符号引用的常量，JVM解析该常量也就对应步骤1"相应类加载检查过程"；

      "new"指令执行完毕后，一个代表（指向）该对象实例内存数据的reference类型变量数据将压入到操作数栈中；

（B）、dup指令

      接着会执行"dup"指令复制该reference数据，这时操作数栈栈顶就有两个指向该对象实例内存的reference数据；（如果方法有参数，还需要把参数加载到操作栈）

（C）、invokespecial指令

      再执行"invokespecial"指令调用对象实例方法，这时操作数栈最上面的一个reference数据会出栈（如果有参数，包括方法参数）；

      然后在Java虚拟机栈中创建方法的栈帧，把出栈的reference数据（和参数）放入该栈帧的局部变量表中，该reference数据在方法中也就是"this"，表示对该对象实例进行的操作；

      当然这些参数的数值、数据类型和顺序都必须遵循实例方法的描述符中的描述；

      另外，操作数栈中还有一个对象reference数据一般被“astore”到局部变量表或保存到字段变量，给后面访问对象使用。

 

      到这里，我们大体了解Java对象在HotSpot虚拟机中的创建过程， 后面我们将分别去了解：对象的内存布局、对象的访问定位、方法的调用与执行、JIT编译、以及JVM垃圾收集相关内容……

 

【参考资料】

1、《The Java Virtual Machine Specification》Java SE 8 Edition：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html

2、《Java Platform, Standard Edition HotSpot Virtual Machine Garbage Collection Tuning Guide》：http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/guides/vm/gctuning/index.html

3、《Memory Management in the Java HotSpot™ Virtual Machine》：http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/tech/memorymanagement-whitepaper-1-150020.pdf

4、HotSpot虚拟机参数官方说明：http://docs.oracle.com/javase/8/docs/technotes/tools/unix/java.html

5、《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》第二版 第2章

6、Java内存区域 JVM运行时数据区