深入理解JVM：HotSpot虚拟机对象探秘

一、对象的创建过程

Java是一门面向对象的编程语言，在程序运行过程中无时无刻都有对象的创建。

在语言层面上创建一个对象仅需要一个new关键而已，而在虚拟机中，对象（指普通对象，不包括数组和Class对象等）的创建又是怎样的过程呢？

1、类加载检查

当虚拟机遇到一条new指令时，首先将去检查这个指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并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。如果没有，那必须先执行类的加载过程

注：常量池指的是运行时常量池，类加载后，在方法区的运行时常量池中存放。存放编译期生成的各种字面量和符号引用。

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。

对象所需内存大小在类加载完成后便可完全确定，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。

内存分配方式： 指针碰撞、空闲列表

指针碰撞： 如果Java堆中的内存是绝对规整的，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，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挪动一段与对象大小相等的距离，这种分配方法称为“指针碰撞”。

空闲列表： 如果Java堆中的内存并不是规整的，已使用过的内存和空闲内存相互交错，那就没办法进行简单的指针碰撞了，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上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”

选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，而Java堆是否规整由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。

除了空间分配问题外，对象的创建在虚拟机中是非常频繁的，即使是仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也不是线程安全的。（可能出现正在给A分配内存，指针还没来得及修改，对象B又使用原来的指针来分配内存）

解决并发分配问题的方法： CAS、本地线程分配缓冲

CAS： 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。

本地线程分配缓冲： 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

3、初始化

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）。这一操作保证对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，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

设置初始值后，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分代年龄信息等。这些信息存放在对象的对象头中

5、执行方法

至此，new指令执行完成，对象已经创建。继续执行方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化(执行构造方法)，这样一个真正的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（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）

1、对象头：
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运行时数据：
  如哈希码、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，这部分数据在的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32bit和64bit，官方称它为“Mark Word”
  

• 第二部分类型指针：
  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：

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，都需要定义下来。这部分存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（FieldsAllocationStyle）和字段在Java源码中定义顺序的影响。

3、对齐填充

第三部分对齐填充不是必然存在的，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字节的整倍数，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整倍数。而对象头部分正好是8字节的倍数，因此，当对象的实例数据部分没有对齐时，就需要对齐填充来补全。

三、对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。

由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式区定位、访问堆中的对象的具体位置，所以对象方法方式也是取决于虚拟机实现而定的。

目前主流的访问方式有：句柄和直接指针两种

• 句柄：如果使用句柄访问的话，那么Java堆中将会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。
• 直接指针：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：

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

直接指针的优势： 最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的开销，由于对象访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。

HotSpot就是使用直接指针来访问对象的。