【JVM之内存与垃圾回收篇】对象实例化内存布局与访问定位

对象实例化内存布局与访问定位

从各自具体的内存分配上来讲
new 的对象放在堆中
对象所属的类型信息是放在方法区的
方法当中的局部变量放在栈空间

这 new 的对象怎么把三块粘合到一起 就是这章的内容了

对象实例化

面试题

美团：

• 对象在 JVM 中是怎么存储的？
• 对象头信息里面有哪些东西？

蚂蚁金服：二面

• Java 对象头有什么？

从对象创建的方式和步骤开始说

对象创建方式

• new：最常见的方式，单例类中调用 getInstance 的静态类方法，XXXFactory 的静态方法
• Class 的 newInstance 方法：反射的方式，在 JDK9 里面被标记为过时的方法，因为只能调用空参构造器，权限必须是 public
• Constructor 的 newInstance(XXX)：反射的方式，可以调用空参、带参的构造器，权限没有要求
• 使用 clone()：不调用任何的构造器，要求当前类需要实现 Cloneable 接口中的 clone() 方法
• 使用反序列化：反序列化一般用于 Socket 的网络传输，从文件中、从网络中获取一个对象的二进制流
• 第三方库 Objenesis

创建对象的步骤

判断对象对应的类是否加载、链接、初始化

虚拟机遇到一条 new 指令，首先去检查这个指令的参数能否在 Metaspace 的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。（即判断类元信息是否存在）。如果没有，那么在双亲委派模式下，使用当前类加载器以“ClassLoader + 包名 + 类名”为 key 进行查找对应的 .class 文件，如果没有找到文件，则抛出 ClassNotFoundException 异常，如果找到，则进行类加载，并生成对应的 Class 类对象。

为对象分配内存

首先计算对象占用空间的大小，接着在堆中划分一块内存给新对象。
如果实例成员变量是引用变量，仅分配引用变量空间即可，即 4 个字节大小

如果内存规整：指针碰撞

如果内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法（Bump The Point）来为对象分配内存。

意思是所有用过的内存在一边，空闲的内存放另外一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针指向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。如果垃圾收集器选择的是 Serial，ParNew 这种基于压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。一般使用带有 Compact（整理）过程的收集器时，使用指针碰撞。

如果内存不规整

• 虚拟表需要维护一个列表
• 空闲列表分配

如果内存不是规整的，已使用的内存和未使用的内存相互交错，那么虚拟机将采用的是空闲列表来为对象分配内存。意思是虚拟机维护了一个列表，记录上那些内存块是可用的，再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，并更新列表上的内容。这种分配方式成为了 “空闲列表（Free List）”

选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整所决定，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。

处理并发问题

• 采用 CAS 配上失败重试保证更新的原子性
• 每个线程预先分配 TLAB - 通过设置 -XX:+UseTLAB 参数来设置（区域加锁机制）
  • 在 Eden 区给每个线程分配一块区域

在分配内存空间时，另外一个问题是及时保证new对象时候的线程安全性：创建对象是非常频繁的操作，虚拟机需要解决并发问题。虚拟机采用 了两种方式解决并发问题：

CAS （ Compare And Swap ）失败重试、区域加锁：保证指针更新操作的原子性；
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内存，称为本地线程分配缓冲区，（TLAB ，Thread Local Allocation Buffer） 虚拟机是否使用TLAB，可以通过一XX：+/一UseTLAB参数来 设定(jdk8后默认开启)。

初始化分配到的内存空间

给对象属性赋值的顺序：

1. 属性的默认初始化
2. 显示初始化/代码块中的初始化（这俩并列执行，具体先后得看顺序）
3. 构造器初始化

这里提到的是第①种：初始化分配到的空间指的是①：所有属性设置默认值，保证对象实例字段在不赋值时可以直接使用。

内存分配结束，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）。这一步保证了对象的实例字段在Java代码中可以不用赋初始值就可以直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

设置对象的对象头

将对象的所属类（即 类的元数据信息）、对象的 HashCode 和对象的 GC 信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于 JVM 实现。

数据对象 = 数据内容 + 元数据（描述数据的数据）

执行init方法进行初始化（属性的显式初始化、代码块中的初始化、构造器初始化）

在 Java 程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量

因此一般来说（由字节码中跟随 invokespecial 指令所决定），new 指令之后会接着就是执行方法，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完全创建出来。

这里的new可以类比一下OC中的new，OC中的new是由alloc()、init()两个方法组合而成。

对象实例化的过程

1. 加载类元信息
2. 为对象分配内存
3. 处理并发问题
4. 属性的默认初始化（零值初始化）
5. 设置对象头信息
6. 属性的显示初始化、代码块中初始化、构造器中初始化

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参考资料：
用关键字new进行对象的创建，几乎是写代码时最常用的操作之一了，比如：

Sheep sheep1 = new Sheep();
Sheep sheep2 = new Sheep( "codesheep", 18, 65.0f );

通过new的方式，我们可以调用类的无参或者有参构造方法来实例化出一个对象。

表面上看，简简单单new一下对象就有了，但面试时如果仅仅答到这一层，大概率会扑街，因为比这个更重要的是new对象时的原理和流程，因为JVM这个牵线红娘在背后默默地帮我们做了很多工作。

说到new一个对象的具体流程，用一张图可大致描述成如下所示：

1. 首先，当我们new一个对象时，比如Sheep sheep = new Sheep()，JVM首先就回去检查Sheep这个符号引用所代表的类是否已经被加载过，如果没有就要执行对应类的加载过程；
2. 声明类型引用很简单，比如Sheep sheep = new Sheep()就会声明一个Sheep类型的引用sheep；
3. 第一步类加载完成以后，对象所需的内存大小其实就已经确定下来了，接下来JVM就会在堆上为对象分配内存；
4. 所谓的属性“0”值初始化非常好理解，即为实例化对象的各个属性赋上默认初始化“0”值，比如int的初始化0值就是0，而一个对象的初始化0值就是null；
5. 接下来JVM会进行对象头的设置，这里面就主要包括对象的运行时数据（比如Hash码、分代年龄、锁状态标志、锁指针、偏向线程ID、偏向时间戳等）以及类型指针（JVM通过该类型指针来确定该对象是哪个类的实例）；
6. 属性的显示初始化也好理解，比如定义一个类的时候，针对某个属性字段手动的赋值，如：private String name = "codesheep"; 就在这时候给初始化上；
7. 最后是调用类的构造方法来进行进行构造方法内描述的初始化动作。

应该说，经过了这一系列步骤，一个新的可用对象方才得以诞生。

对象内存布局

对象头

对象头包含了两部分，分别是

• 运行时元数据（Mark Word）
• 类型指针

如果是数组，还需要记录数组的长度

运行时元数据

• 哈希值（HashCode）：对象的首地址值，换成哈希以免查找耗时
• GC 分代年龄：年龄计数器 age，达到 16 就进入老年代了
• 锁状态标志
• 线程持有的锁
• 偏向线程 ID
• 偏向时间戳

类型指针

指向类元数据 InstanceKlass，确定该对象所属的类型。指向的其实是方法区中存放的类元信息

并不是所有的对象都会保留类型指针。

实例数据（Instance Data）

说明

它是对象真正存储的有效信息，包括程序代码中定义的各种类型的字段（包括从父类继承下来的和本身拥有的字段）

规则

• 父类中定义的变量会出现在子类之前
• 相同宽度的字段总是被分配在一起
• 如果 CompactFields 参数为 true（默认为 true）：字类的窄变量可能插入到父类变量的空隙

对齐填充（Padding）

不是必须的，也没有特别的含义，仅仅起到占位符的作用

小结

对象的访问定位

图示

JVM 是如何通过栈帧中的对象引用访问到其内部的对象实例呢？

对象访问的两种方式

句柄访问

句柄访问就是说栈的局部变量表中，记录的对象的引用，然后在堆空间中开辟了一块空间，也就是句柄池

优点：

reference 中存储稳定句柄地址，对象被移动（垃圾收集时移动对象很普遍）时只会改变句柄中实例数据指针即可，reference 本身不需要被修改。

直接指针（HotSpot 采用）

直接指针是局部变量表中的引用，直接指向堆中的实例，在对象实例中有类型指针，指向的是方法区中的对象类型数据

此时如果堆中对象的位置改变，那么 reference 也要跟着改变。如 “垃圾回收相关算法”中的复制算法。