深入理解Java虚拟机 -- HotSpot虚拟机对象探秘

本文参考于《深入理解Java虚拟机》

1. 对象的创建

对象的创建主要分为五个部分：类加载、分配内存、初始化零值、设置对象头和执行< init >方法。接下来，对对象的创建的讲解我们将从这五个部分展开。

1.1 类加载

当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并且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。如果没有，那必须先执行相应的类加载过程。

1.2 分配内存

在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来。

（1）、分配内存的方式

内存的分配方式不同取决于Java堆中内存是否规整。

1. 指针碰撞 ： 假设Java堆中内存是绝对规整的，所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离。
2. 空闲列表：但如果Java堆中的内存并不是规整的，已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存块是可用的，在分配的时候从列表中找到一块足够大的空间划分给对象实例，并更新列表上的记录。

而Java堆中内存是否规整又取决于Java堆进行垃圾回收时使用哪种垃圾收集器。

1. 指针碰撞：使用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器。
2. 空闲列表：使用CMS这种基于清除（Sweep）算法的收集器。

（2）、分配内存的并发问题

1. 可能出现的问题

对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的，可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。

2. 保障线程安全的两种方法

• 一种是对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机是采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。CAS就是乐观锁的一种实现方式，乐观锁就是每个线程中都有一个线程共享变量的版本变量，当一个线程需要对该变量进行操作时，它会首先进行比较版本变量是否相同，如果相同就进行操作；如果不同就会造成冲突而失败。而该方法中如果因为冲突而造成失败就会一直重试，直到成功为止。从而保证了更新操作的原子性。
• 是把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲（Thread Local AllocationBuffer，TLAB），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定。

1.3 初始化零值

内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值。这步操作保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

1.4 设置对象头

Java虚拟机还要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码（实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode()方法时才计算）、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前运状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。关于对象头的具体内容，稍后会详细介绍。

1.5 执行< init >方法

在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。但是从Java程序的视角看来，对象创建才刚刚开始——构造函数，即Class文件中的< init >()方法还没有执行，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好（也就是对象相应的属性字段还是初始化的零值）。一般来说，new指令之后会接着执行< init >()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

2. 对象的内存布局

在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例 数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。下面我们将从这三个方面认识对象的内存布局。

2.1 对象头

对象头主要包含两部分信息：

1. 第一类是用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程ID、偏向时间戳等。官方称这部分数据为 “Mark Word” ，如下图所示。

2. 对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针，Java虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。

2.2 实例数据

实例数据部分是对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容，无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（-XX：FieldsAllocationStyle参数）和字段在Java源码中定义顺序的影响。

2.3 对齐填充

对象的第三部分是对齐填充，这并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。其实就是HotSpot虚拟机自动内存管理系统要求对象的大小是8字节的倍数，因此就诞生了对齐填充。如果不是8字节的倍数，就进行填充补全。

3. 对象的访问定位

Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针。

3.1 句柄

如果使用句柄访问的话，Java堆中将可能会划分出一块内存来作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息。

1. 如下图所示

2. 使用好处

使用句柄来访问的最大好处就是reference中存储的是稳定句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要被修改。

3.2 直接指针

·如果使用直接指针访问的话，Java堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销。

1. 如下图所示

2. 使用好处

使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销。因为如果是访问对象本身的话，reference中存储的直接就是对象地址，我们只需要访问一次就够了。