【Java虚拟机学习2】HotSpot虚拟机下对象的创建及在Java堆中对象的内存分配、布局和对象的访问

HotSpot虚拟机下对象的创建及在Java堆中对象的内存分配、布局和对象的访问

一、对象的创建

Step1：类加载检查

虚拟机遇到一条new指令时，首先将检查是否能在常量池中定位到这个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类是否已被加载过、解析过和初始化过。如果没有，那必须先执行相应类加载过程。

（注意：
Java虚拟机中类的符号引用和方法的符号引用都存放在运行时常量池中，运行时常量池是方法区的一部分区域。运行时常量池是在类加载后在内存中分配的一块区域，用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用。在类装载后，JVM会从class文件的常量池中把符号引用存放到运行时常量池中，并进行解析，生成直接引用。）

Step2：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。对象所需的内存大小在类加载完成后便可确定，为对象分配空间的任务等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。
分配方式有 “指针碰撞” 和 “空闲列表” 两种，选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定（即Java堆内存是否连续），而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

问题一：内存分配的两种方式

指针碰撞：

• 适用场合：堆内存规整（即内存连续，没有内存碎片）的情况下。
• 原理：用过的内存全部整合到一边，没有用过的内存放在另一边，中间有一个分界指针，只需要向着没用过的内存方向将该指针移动对象内存大小位置即可。
• 使用该分配方式的 GC 收集器：Serial, ParNew

空闲列表

• 适用场合：堆内存不规整的情况下（内存不连续）。
• 原理：虚拟机会维护一个列表，该列表中会记录哪些内存块是可用的，在分配的时候，找一块儿足够大的内存块儿来划分给对象实例，最后更新列表记录。
• 使用该分配方式的 GC 收集器：CMS

问题二：内存分配并发问题

在创建对象的时候有一个很重要的问题，就是线程安全，因为在实际开发过程中，创建对象是很频繁的事情，作为虚拟机来说，必须要保证线程是安全的，通常来讲，虚拟机采用两种方式来保证线程安全：

• CAS+失败重试： CAS是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。虚拟机采用
  CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
• TLAB（Thread Local Allocation Buffer 线程本地缓冲区）： 为每一个线程预先在 Eden 区（堆的一块内存区域）分配一块儿内存，JVM 在给线程中的对象分配内存时，首先在 TLAB 分配，当对象大于 TLAB 中的剩余内存或 TLAB 的内存已用尽时，再采用上述的 CAS 进行内存分配
  所以JVM虚拟机给对象分配内存是通过TLAB（线程本地缓冲区技术）和CAS原子操作来保证线程安全的。

Step3：初始化零值

内存分配完成后，Java虚拟机会将分配到内存空间的实例变量都初始化为零值或者空（不包括对象头，即类对象下的属性变量初始化为零或者空），这一步操作保证了对象实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用

Step4：设置对象头

初始化零值完成后，虚拟机要对对象进行必要的设置，如：对象所属的类的元数据信息、对象锁的状态、对象的哈希码、对象的GC相关信息等，这些信息存放在对象头中，即需要设置对象头（对象头会有不同的设置方式）。

问题：什么是对象头，举例说明一下呢？

对象头（Object Header）是Java对象实例在内存中的固定长度的数据结构，由Java虚拟机负责分配和管理。它包含了对象实例的运行时信息，如对象所属的类的元数据信息、对象的锁状态、GC相关信息等。通常情况下，对象头的长度在32位和64位虚拟机中是不同的。在32位虚拟机中，对象头占用8个字节，在64位虚拟机中，对象头占用12个或16个字节（具体长度取决于虚拟机实现）。

举个例子如下：
假设有一个名为Person的类，它的定义如下：

public class Person {
    private int id;
    private String name;
    private int age;
    
    // ...其它类成员省略...
}

当我们创建一个Person对象时，Java虚拟机会为该对象分配一块内存空间，其中包括对象头和实例变量。假设创建一个Person对象p1，它的内存结构大概如下（这里以32位虚拟机为例）：

[对象头 8B] [id变量 4B] [name变量 4B] [age变量 4B] [ padding 4B ]

其中，对象头8个字节的内容包含了Person类的元数据信息、对象的锁状态、GC相关信息等。实例变量包括了id、name和age三个变量，它们的值在初始化零值操作后会被赋为0或null，具体取决于变量的类型。

在后续的操作中，我们可以使用该对象的实例变量和方法，也可以使用Java虚拟机提供的API对对象头进行操作，以实现各种功能。例如，我们可以使用synchronized语句块来实现多线程同步，这需要Java虚拟机在对象头中记录锁状态，这样就可以对对象进行加锁和解锁。

Step5：执行init方法

上面工作完成后，从虚拟机的角度来看，一个新的对象已经产生了。
但是从java程序的角度出发，对象的创建才开始，init 方法（构造方法）还没有执行，所有字段都还为零或空。
所以一般来说，执行new指令后会接着执行init 方法，将对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

二、对象的内存分布

在 Hotspot 虚拟机中，对象在内存中的布局可以分为 3 块区域：对象头、实例数据和对齐填充。

• Hotspot 虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据（哈希码、GC 分代年龄、锁状态标志等等），另一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。
• 实例数据部分：存储的是对象真正的有效信息，即在程序中定义的各种类型的字段内容。
• 对齐填充部分：对齐填充部分不是必然存在的，也没有什么特殊的含义，仅仅起到占位作用。因为Hotspot虚拟机要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头正好是8字节的倍数（1倍或2倍），因此当对象的实例数据部分没有对齐时就需要通过对齐填充来补全。

三、、对象的访问定位

对象的实例会存放在堆中，如何访问到，那么如何访问到对象呢？

java程序通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定，目前主流的访问方式：使用句柄、直接指针。

• （一）句柄
  如果使用句柄方式的话，那么java堆中将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对象类型数据各自的具体地址信息。
  
  优点：
  使用句柄方式访问对象最大的好处是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时（垃圾回收会造成堆中对象地址变动），只需要同步变动句柄池中对象实例数据指针即可。
  缺点：
  访问对象需要多访问一次句柄池，多了一次指针定位的开销。

• （二）直接指针
  使用直接指针方式访问，reference中存储的就是堆中的对象地址，相比与使用句柄访问节省了一次指针定位的时间开销。而我们的Java应用中，访问对象是非常频繁的，所以都使用直接指针的访问方式一步到位。HotSpot虚拟机主要使用的就是这种方式来进行对象访问。