java虚拟机学习（二）

HotSpot虚拟机对象探秘

 

一、对象创建

　　Java 是一门面向对象的编程语言，在Java 程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来．在语言层面上，创建对象（例如克隆、反序列化）通常仅仅是一个new 关键字而己，而在虚拟机中，对象（指普通Java 对象，非数组和Class 对象等） 的创建是一个非常复杂的过程。

　　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。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。

　　假设Java 堆中内存是绝对规整的，就仅仅是把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”（ Bump the Pointer）。

　　如果Java 堆中的内存并不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，虚拟机就必须维护一个列表，记录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 堆是否规整是由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此，在使用Serial、ParNew 等带Compact（紧凑）过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS 这种基于Mark-Sweep 算法的收集器时，通常采用空闲列表。　　　

　　还要考虑内存分配在多线程下同步问题。一种解决办法是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：另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，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）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB 上分配，只有TLAB 用完并分配新的于LAB 时，才需要同步锁定

　　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），接下来，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）之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同，如是否启用偏向锁等。

二、对象内存布局

　　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）。

　　Hot Spot 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，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，官方称它为“Mark Word”。Mark Word 被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。

　　　　在32 位的HotSpot 虚拟机中，如果对象处于未被锁定的状态下，那么Mark Word的32bit空间中的25bit用于存储对象哈希码， 4 bit 用于存储对象分代年龄， 2 bit 用于存储锁标志位， 1 bit 固定为0，

　　　　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下图所示

　　　　　　

　　　　

　　　　对象头的另外一部分是类型指针，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。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，但是从数组的元数据中无法确定数组的大小。

 

　　　　数据部分，是对象存储的真正有效信息，也是在程序代码中所定义的各种类型字段的内容。包括父类和接口继承下来的，也包括子类中定义的。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源代码中定义顺序的影响。从分配策略中知道，相同宽度的字段总是被分配到一起。在这个前提下父类定义的变量会出现在子类之前。

   　　　对齐填充，不是必须的，只起到地址对齐的作用。HotSpot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，也就是对象内存大小必须是8字节的整数倍。

 

 

三、对象访问定位

　　Java程序通过栈上的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引用。而没有规定这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置，它取决于Java虚拟机实现。

　　目前主要有两种实现方式：

　　　　使用句柄（类似间接指针）：在Java堆中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，句柄中包含对象实例数据与类型各自具体地址信息。示例图如下图所示。

　　　　

 

　　　　直接指针访问：Java堆中的对象布要考虑如何放置访问类型数据相关的信息，而reference中存储的直接就是对象地址。示例图如下图所示。

　　　　

 

两者的比较：

 

句柄的好处：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。

直接指针访问的最大好处就是速度更快，节省一次指针定位时间开销，因为对象访问在Java中非常频繁，这类开销积少成多也非常可观。