Java是一门面向对象的编程语言,创建对象通常只是通过new关键字。
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,这种分配方式称为“指针碰撞”(Bump The Pointer)。
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,这种分配方式称为“空闲列表”(Free List)。
选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定,而Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理(Compact)的能力决定。因此,当使用Serial、ParNew等带压缩整理过程的收集器时,系统采用的分配算法是指针碰撞,既简单又高效;而当使用CMS这种基于清除 (Sweep)算法的收集器时,理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。
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)
HotSpot虚拟机对象的对象头部分包括两类信息。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,这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机(未开启压缩指针)中分别为32个比特和64个比特,官方称它为“Mark Word”。对象需要存储的运行时数据很多,其实已经超出了32、64位Bitmap结构所能记录的最大限度,但对象头里的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本,考虑到虚拟机的空间效率,Mark Word被设计成一个有着动态定义的数据结构,以便在极小的空间内存储尽量多的数据,根据对象的状态复用自己的存储空间。例如在32位的HotSpot虚拟机中,如对象未被同步锁锁定的状态下,Mark Word的32个比特存储空间中的25个比特用于存储对象哈希码,4个比特用于存储对象分代年龄,2个比特用于存储锁标志位,1个比特固定为0,在其他状态(轻量级锁定、重量级锁定、GC标记、可偏向)下对象的存储内容如下图所示。
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。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针,换句话说,查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。此外,如果对象是一个Java数组,那在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据,因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定Java对象的大小,但是如果数组的长度是不确定的,将无法通过元数据中的信息推断出数组的大小。
两个指针变量说明:
ptr_to_lock_record:轻量级锁状态下,指向栈中锁记录的指针。当锁获取是无竞争时,JVM使用原子操作而不是OS互斥,这种技术称为轻量级锁定。在轻量级锁定的情况下,JVM通过CAS操作在对象的Mark Word中设置指向锁记录的指针。
ptr_to_heavyweight_monitor:重量级锁状态下,指向对象监视器Monitor的指针。如果两个不同的线程同时在同一个对象上竞争,则必须将轻量级锁定升级到Monitor以管理等待的线程。在重量级锁定的情况下,JVM在对象的 ptr_to_heavyweight_monitor设置指向Monitor的指针。
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。HotSpot虚拟机默认的分配顺序为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(OrdinaryObject Pointers,OOPs),从以上默认的分配策略中可以看到,相同宽度的字段总是被分配到一起存放,在满足这个前提条件的情况下,在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果HotSpot虚拟机的+XX:CompactFields参数值为true(默认就为true),那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙之中,以节省出一点点空间。
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。由于HotSpot虚拟机的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8字节的整数倍,换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数(1倍或者2倍),因此,如果对象实例数据部分没有对齐的话,就需要通过对齐填充来补全。
对象成功创建后,如何访问定位到某一个对象?
创建对象自然是为了后续使用该对象,我们的Java程序会通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在《Java虚拟机规范》里面只规定了它是一个指向对象的引用,并没有定义这个引用应该通过什么方式去定位、访问到堆中对象的具体位置,所以对象访问方式也是由虚拟机实现而定的,主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种: