HotSpot 虚拟机对象探秘-对象的创建、内存布局、访问定位

对象的创建

在写java文件时，我们创建对象通常就是通过new这个关键字，那对象的创建是一个什么样的过程呢？

• 检查类的符号引用，是否执行过类的加载过程

  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，并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、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

• 分配内存

  在类加载检查通过之后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存，对象所需的大小在加载完成后便可完全确定（这里面的细节后文有介绍），为对象 分配内存空间 的任务等同于把堆中的一块空的空间划分出来，划分有两种方法 ·

  • 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，没有用过的内存放在另外一边，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那边挪动一段与对象大小相等的距离

  • 空闲列表：

    如果Java堆中的内存不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，那就没有办法简单的进行指针碰撞了，虚拟机必须维护一个列表，记录上哪些内存块可以用的，在分配内存的时候从列表中找到一块足够大的空间划分各对象实例，并更新列表上的记录

  选择哪种分配方法是有java堆是否规整决定，而 java堆是否规整又由所采用的的垃圾收集器是否带 有压缩整理功能决定。像Serial、ParNew等代Compact过程收集时，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，通常采用空闲列表

• 线程安全的问题，

  对象的创建在虚拟机是非常频繁的事情，即使是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，可能出现横在给对象A分配内存，指针还没来的及修改，对象B又同时使用了原来的指针分配内存的情况。解决这种问题有两种方案：

  • 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

  • TLAB

    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的内存，方程为本地线程分配缓冲（TLAB）。那个线程要分配内存，就在哪个哪个线程的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参数来设定

• 初始化

  内存分配完毕后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化0值（不包括对象头，在对象的内存布局有介绍）如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行，这一步骤保证可对象的实例字段在java代码中可以不赋初始值就直接使用，程序能访问到这些总段的数据类型所对应的零值

• 虚拟机对对象进行必要的设置，

  例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的算数据信息、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，对象头会有不用的设置方法，

• 执行构造方法

  在上面的工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生，但从java程序的角度来看，对象的常见才刚刚开始—方法还没执行，所有的字段都还为0 ，执行new指令之后，就是执行初始化方法，这样一个真正的对象才算完全创建好

对象的内存布局

对象在内存中存储的布局可以分为三块：对象头，实例数据和填充补齐，下面进行一一介绍

• 对象头包括两部分信息

  • 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表所示。
    

  • 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，这点我们会在下一节具体讨论。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。
    

实例数据：

存放类的属性数据信息，包括父类的属性信息；注意：包括父类的属性信息。

对齐填充：

由于虚拟机要求 对象起始地址必须是8字节的整数倍。填充数据不是必须存在的，仅仅是为了字节对齐；为什么必须是8个字节？ 根据“计算机组成原理”，8个字节是计算机读取和存储的最佳实践。

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通过何种方式去定位，访问堆中的对象的具体位置，所以对象访问方式也是却绝育虚拟机实现而定的，目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种

• 句柄：

• 如果使用句柄的话，那么 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。
  

• 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的地址。
  

两种访问方式的优势

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是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销。

参考资料：
深入理解java虚拟机