HotSpot 虚拟机对象探秘

一、对象的创建过程

当虚拟机遇到一条new 指令时：

1. 检查

• 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，并且检查这个符合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

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。

  • 指针碰撞： 假如Java 堆中内存是绝对规整的，那所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边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”

  • 空闲列表：如果Java 堆中的内存并不是规整的，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的实例，并更新列表上的记录，这种分配方式被称为“空闲列表”

    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压缩整理功能决定。

• 并发情况下线程安全：
  • 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
  • 把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间这中进行，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 Allocation Buffer,TLAB）。哪个线程分配内存，就在哪个线程的TLAB 上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时，才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB 参数设定

3. 初始化零值

• 虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化零值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB 分配时进行。这一步操作保证了对象的实例字段在Java 代码中可以不赋初值谅直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

4. 设置对象头

• 虚拟机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、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）这中。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. 执行init 方法。

• 从虚拟机角度来看，一个新的对象已经产生了，但从 Java 程序的视角来看，对象创建才刚刚开始——方法还没有执行，所有的字段都还为零。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算安全产生出来。

二、对象的内存布局

    在 HotSpot 虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为 3 块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

1. 对象头（Header）

    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

    存储如哈希码（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 32bit 和 64bit，官方称为“Mark Word”.

• 另外一部分是类型指针

  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。

2. 实例数据（Instance Data）

  实例数据部分是对象真正存储的有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。无论是从父类继承下来的，还是子类中定义的，都需要记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）的字段在 Java 源码中定义顺序的影响。HotSpot 虚拟机默认的分配策略为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers），从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。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 CompactFields 参数值为true（默认为true），那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

3. 对齐填充（Padding）

  对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用由于 HotSpot VM 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。当对象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

  Java 程序需要通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

• 如果使用句柄访问的话，那么 Java 堆中将会划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。

  • 优势：reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。

• 如果使用直接指针访问，那么 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。

  • 优势：直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在 Java 中非常繁重，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成来。

Sun HotSpot 是使用直接指针方式进行对象访问的。