Java虚拟机（3）对象创建、内存区域及访问定位

1. 对象的创建

当Java虚拟机遇到一条字节码new指令时，就会开始虚拟机中对象的创建：

1.1 类加载检查

1. 检查new指令的参数是否能在常量池中定位到一个类的符号引用

2. 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。

1.2 为对象分配内存

对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，等同于把一块确定大小的内存块从Java堆中划分出来。

选择哪种分配方式由Java堆是否规整决定，Java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理（Compact）的能力决定。

• 规整

  即所有被使用过的内存都被放在一边，空闲的内存被放在另一边；

• 不规整

  已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起。

分配方式：

1. 指针碰撞 - Bump The Pointer（规整）

   已使用内存在一边，未使用内存在另一边，中间放一个作为分界点的指示器；

2. 空闲列表 - Free List（不规整）

   虚拟机维护一个列表，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实例，并更新列表上的记录。

注意：对象创建在虚拟机中是非常频繁的操作，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也会引起线程不安全。

线程安全问题解决：

1. 对分配内存空间的动作进行同步处理

   采用CAS配上失败重试的方式保证更新操作的原子性；

2. 本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer，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，每个线程在Java堆中预先分配一小块内存，哪个线程要分配内存，就在哪个线程的本地缓冲区中分配，只有本地缓冲区用完了，分配新的缓存区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX：+/-UseTLAB参数来设定。

1.3 初始化零值

内存分配完成之后，虚拟机必须将分配到的内存空间（但不包括对象头）都初始化为零值。

如果使用了TLAB的话，这一项工作也可以提前至TLAB分配时顺便进行。

保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋初始值就直接使用，使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

1.4 对象头设置

Java虚拟机还要对对象进行必要的设置，存放在对象的对象头（Object Header）之中：

对象是哪个类的实例、如何找到类的元数据信息、对象的哈希码（实际上对象的哈希码会延后到真正调用Object::hashCode()方法时才计算）、对象的GC分代年龄等。

1.5 按意图初始化

对对象进行必要设置后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了。Java 程序开发来说，对象创建才刚开始，需要进行一些初始化操作。new指令之后会接着执行()方法，按照程序员的意愿对对象进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全被构造出来。

总结

2.对象的内存布局

在HotSpot虚拟机里，对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

2.1 对象头

对象头主要包含两部分：

• 用于存储对象自身的运行时数据（Mark Word）；

  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；

  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。

• 类型指针，即对象指向它的类型元数据的指针。

  通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例，但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。

  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。

2.2 实例数据

对象真正存储的有效信息，即我们在程序代码里面所定义的各种类型的字段内容。

无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的字段都必须记录起来。

这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数（-XX：FieldsAllocationStyle参数）和字段在Java源码中定义顺序的影响。

2.3 对齐填充

占位符作用。

由于HotSpot虚拟机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，换句话说就是任何对象的大小都必须是8字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是8字节的倍数（1倍或者2倍），因此，如果对象实例数据部分没有对齐的话，就需要通过对齐填充来补全。

总结

3. 对象的访问定位

创建对象后续如何使用该对象?

我们的Java程序会通过栈上的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》里面只规定了它是一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过什么方式去定位、访问到堆中对象的具体位置，所以对象访问方式也是由虚拟机实现而定的，主流的访问方式主要有使用句柄和直接指针两种。

3.1 句柄

Java堆中将可能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具体的地址信息

3.2 直接指针

reference中存储的直接就是对象地址。

总结

本文主要介绍了JVM对象创建、对象内存布局、对象访问定位，接下来会进一步阅读《深入理解Java虚拟机》,并进行更多内容的讲解、总结。

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