HotSpot 虚拟机对象存储逻辑

对象的创建

Java 是一门面向对象的编程语言，Java 程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。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。

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。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。

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。解决这个问题有两种可选方案：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；另外一种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。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，如果使用了 TLAB 的话，这一项工作也可以提前至 TLAB 分配时顺便进行。

Java 虚拟机还要对内存分配后的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。这些信息存放在象的对象头（Object Header）之中。根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。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 ()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。接下来执行init（）函数经行初始化，java中的对象才算创建完成。

HotSpot 解释器代码片段

// 确保常量池中存放的是已解释的类
if (!constants -> tag_at(index).is_unresolved_klass()) { // 断言确保是 klassOop 和instanceKlassOop
 oop entry = (klassOop) *constants->obj_at_addr(index);
 assert(entry->is_klass(), "Should be resolved klass");
 klassOop k_entry = (klassOop) entry;
 assert (k_entry -> klass_part()->oop_is_instance(), "Should be instanceKlass");
 instanceKlass * ik = (instanceKlass *) k_entry -> klass_part();
 // 确保对象所属类型已经经过初始化阶段
 if (ik -> is_initialized() && ik -> can_be_fastpath_allocated()) {
 // 取对象长度
 size_t obj_size = ik -> size_helper();
 oop result = NULL;
 // 记录是否需要将对象所有字段置零值
 bool need_zero = !ZeroTLAB; // 是否在 TLAB 中分配对象
 if (UseTLAB) {
 result = (oop) THREAD -> tlab().allocate(obj_size);
 }
 if (result == NULL) {
 need_zero = true; // 直接在 eden 中分配对象 retry:
 HeapWord * compare_to = *Universe::heap () -> top_addr();
 HeapWord * new_top = compare_to + obj_size;
 // cmpxchg 是 x86 中的 CAS 指令，这里是一个 C++方法，通过 CAS 方式分配空间，并发失败的话，转到 retry 中重试直至成功分配为止
 if (new_top <= *Universe::heap () -> end_addr()){
 if (Atomic::cmpxchg_ptr (new_top, Universe::heap() -> top_addr(),
compare_to) !=compare_to)
 goto retry;
 }
 result = (oop) compare_to;
 }
 }
 if (result != NULL) {
 // 如果需要，为对象初始化零值
 if (need_zero) {
 HeapWord * to_zero = (HeapWord *) result + sizeof(oopDesc) / oopSize;
 obj_size -= sizeof(oopDesc) / oopSize;
 if (obj_size > 0) {
 memset(to_zero, 0, obj_size * HeapWordSize);
 }
 }
 // 根据是否启用偏向锁，设置对象头信息
 if (UseBiasedLocking) {
 result -> set_mark(ik -> prototype_header());
 } else {
 result -> set_mark(markOopDesc::prototype ());
 }
 result -> set_klass_gap(0);
 result -> set_klass(k_entry);
 // 将对象引用入栈，继续执行下一条指令
 SET_STACK_OBJECT(result, 0);
 UPDATE_PC_AND_TOS_AND_CONTINUE(3, 1);
 }
}

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）。
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 位的虚拟机中分别为 32 个比特和 64 个比特，官方称它为“Mark Word”。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，根据对象的状态复用自己的存储空间。

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。

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。

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。

对象的访问定位

主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种：

1. 句柄访问，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。

2. 直接指针，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。

这两种对象访问方式各有优势，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。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.