HotSpot虚拟机对象探秘

虚拟机内存中的数据的其它细节，如它们是如何创建、如何布局以及如何访问的。对于涉及细节的问题，必须把讨论范围限定在具体的虚拟机和集中在某一个内存区域上才有意义。故以HotSpot和常用的内存区域Java堆为例，深入探讨HotSpot虚拟机在Java堆中对象分配、布局和访问的全过程。

对象的创建

在语言层面上，创建对象（如克隆、反序列化）通常仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，对象（以下讨论的只限定普通对象，不包括数组 和Class对象等）又是如何创建的？

1. 虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能自常量池中定位到一个类的符号引用，并检查这个符号代表的类是否已被加载、解析和初始化过。若没有，就必须先执行相应的类加载过程。

2. 类加载通过后，虚拟机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完全确定，为对象分配内存就是将一块确定大小的内存从堆内存中划分出来。

如果Java堆中内存绝对规整，所用与空间分处两边，中间放置指针作为分界的指示器，那分配内存就是指针往空闲区挪动一段距离，这种方式叫做“指针碰撞”。

如果Java堆中内存并不是规整的，已用与未用内存交错，则虚拟机需维护一个列表，记录哪些内存块可用，在可用的内存块中分配给对象，并更新列表上的记录，这种方式叫做“空闲列表”。

选择哪种方式取决于Java堆是否规则，Java堆是否规则则取决于所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。所以,用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，采用空闲列表。

除如何划分内存，还有一个问题便是，频繁的创建对象，即使仅修改一个指针的指向，在并发情况下也并不是线程安全的，对于解决这个问题，现有两种方案：

• 对分配内存空间的动作进行同步处理，实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
• 把内存分配动作按线程划分在不同的空间中进行，即每个线程在Java堆中预先分配一小块内存（本地线程分配缓冲，Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。哪个线程需分配内存就在哪个TLAB上分配，只有当TLAB用并分配新的TLAB时，才需同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。

3. 内存分配完成后，虚拟机需将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），若用TLAB，这一工作可提前至TLAB分配时进行。此操作保证了对象实例对象在Java代码中可不赋初始值而直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

4. 接下来，虚拟机堆对象进行必要的设置，如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、对象的GC分代年龄等信息。这些信息存放在对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

5. 上面工作全部完成，在虚拟机视角上，新对象已产生。但在Java程序角度，对象创建才起步。init()方法还未执行，所有字段均为零。所以一般来说（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），执行new指令之后会接着执行方法，把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产生了。

对象的内存布局

HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储布局可分3部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

1. 对象头包括两部分信息：

• 存储对象自身的运行时数据（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），这部分数据在32位和64位JVM(未开启压缩指针)中分别为32bit和64bit,成为“Mark Word”。

对象需存储的运行时数据很多，其实已超出32位、64位Bitmap结构所记录限度，但对象头信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本，为空间效率，Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。

MarkWord.png

• 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。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，即查找对象的元数据并不一定经过对象本身。另外，若对象时一个Java数组，那在对象头中必须有一块用于记录数据长度的数据，因为虚拟机可通过普通Java对象的元数据信息确定对象的大小，但从数据的元数据中却无法确定数组的大小。

2. 实例数据，对象真正存储的有效信息，也是在代码中定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承还是子类定义，都需记录下来。

这部分的存储顺序受虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中定义的顺序的影响。HotSpot默认的分配策略为longs/doubles,ints,shorts/chars,bytes/booleans,oops(Ordinary Object Pointers),从分配策略中可看出，相同宽度的字段总被分配在一起，在满足这个前提条件下，父类中定义的变量会出现在子类之前。如果CompactFields参数值为true(默认），那么子类中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙中。

3. 对齐填充，不一定必然存在，无特别含义，仅为占位符。HotSpot中对象的大小为8字节的倍数，对象头正好是8字节的1倍或2倍，当对象实例部分没有对齐时，就需要对齐填充来补全。

对象的访问定位

建立对象便是为了使用对象，Java程序需通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在规范只规定一个指向对象的引用，而没有定义此引用该如何定位、访问堆中的对象的具体位置，所以取决于虚拟机而定。

目前主流的访问方式有两种：

1. 使用句柄：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类型数据各自的具体地址信息。

   
   
   句柄访问对象.png

2. 直接指针：Java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址。

   
   
   直接指针访问对象.png

两种方式各有优势：
使用句柄访问的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在 对象被移动（垃圾回收时移动对象时非常普遍的）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需修改。
使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此此类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

对于HotSpot而言，它使用直接指针访问，但整个软件开发的范围，句柄访问的情况也十分常见。