JVM 对象分析

对象的创建

对象的创建过程如下图所示：

为对象分配内存

指针碰撞

假设 Java 堆中内存时完整的，已分配的内存和空闲内存分别在不同的一侧，通过一个指针作为分界点，需要分配内存时，仅仅需要把指针往空闲的一端移动与对象大小相等的距离。使用的 GC 收集器：Serial、ParNew，适用堆内存规整（即没有内存碎片）的情况下。

空闲列表

事实上，Java 堆的内存并不是完整的，已分配的内存和空闲内存相互交错，JVM 通过维护一个列表，记录可用的内存块信息，当分配操作发生时，从列表中找到一个足够大的内存块分配给对象实例，并更新列表上的记录。使用的GC收集器：CMS，适用堆内存不规整的情况下。

问题：到底应该选择哪种内存分配方式呢？

这个是由堆是否规整决定的，而堆是否规整是由垃圾回收策略决定的，如果垃圾回收器带有压缩整理的功能，能够实现堆的规整，就可以使用指针碰撞的分配方式，否则只能使用空闲列表的方式。

线程安全性问题

在高并发的情况下，同一时刻会有多个线程创建对象，分配内存，堆内存的分配存在线程安全性的问题。

问题：如何解决线程安全性的问题呢？

• 最简单的方案是实现线程同步，通过加锁的方式实现线程安全性，但是这种方案有一个问题就是执行效率比较低；
• 第二个方案是针对每个线程在堆内存中分配一块单独的区域，区域的大小可以通过虚拟机参数指定，这块区域称为本地线程分配缓冲（TLAB：Thread Local Allaction Buffer），通过为每一个线程单独分配内存的方式来避免线程安全性问题。当某个线程的本地线程分配缓冲已经满了后，可以再分配一块区域；

对象的结构

对象的结构主要包含如下三部分内容：

• Header：对象头
• InstanceData：实例数据
• Padding：对齐填充

对象头（Header）

对象头主要存储自身运行时数据、类型指针。

自身运行时数据

• 哈希值：Object 对象中 hashCode() 方法；
• GC 分代年龄：为分代收集算法所服务（分代好处：针对各个年龄代特点，选择适当的垃圾收集算法）；
• 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

对象指向类的元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定对象是哪一个类的实例，并不是所有 JVM 实现都必须在对象数据上保留类型指针。

作为普通对象的对象头结构只有以上两种，但如果对象是一个数组，则对象头中还包含记录数组长度的数据。

实例数据（InstanceData）

数据的实例信息，真正存储对象有效信息的部分，我们所接触最多的部分。

不管是从父类继承中获得的还是从子类定义的实例信息，都被记录在其中。这部分的存储顺序由虚拟机的分配策略和字段在 Java 源码中定义的顺序决定，HotspotVM 默认策略是相同宽度的字段分配到一起，如 long/double 类型、short/char 分配到一起。在父类中定义的对象，可能出现在子类之前。

对齐填充（Padding）

这部分数据并不是必然存在的，它也没有特殊的含义，作用是作为一个占位符，用于填充内存。

为什么需要 Padding？

主要因为 HotspotVM 自动内存管理系统要求对象起始地址必须是8个字节的整数倍，也就是说对象的大小必须是8个字节的整数倍，而对象头部分正好是8个字节的整数倍。因此，对象实例数据部分如果没有对齐是就需要通过Padding 来进行填充。

对象的访问定位

Java 是通过虚拟机栈中的局部变量表中的 reference 数据来操作 Java 堆上的具体对象。但 reference 只是虚拟机规范中规定指向一个对象的引用，它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，所以对象访问方法也取决于虚拟机的实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

句柄访问

如果使用句柄访问，Java 堆中将会划分出一块内存作为句柄池，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和对象类型数据的具体地址信息。实际上是采用了句柄池这样一个中间介质进行了两次指针定位，有效的避免了对象的移动或改变直接导致 reference 本身发生改变。句柄访问方式如下图所示：

使用句柄访问最大的好处就是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象回收过程中或者其它对象需要移动的时，只会改变句柄中的实例数据的指针，而 reference 本身不需要做任何修改。

直接指针访问

如果使用直接指针访问，那么 Java 堆对象的布局必须考虑如何放置访问类型的数据的相关信息，而 reference 中存储的直接就是对象地址，而不再是句柄地址信息，相当于在 reference 与对象地址信息直接少了句柄池这样一个中间地址，reference 中直接存储的就是对象地址。

这种定位方式也就导致了在对象被移动时，reference 本身必须发生改变。但是我们都知道，使用句柄访问方式时，相当于进行了两次指针定位，而直接指针访问方式恰好节省了这一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在 Java 中非常的频繁，时间开销的减少也是一种可观的执行成本。例如，常见的 HotSpot 虚拟机就使用的是直接指针访问方式。

作者：殷建卫 链接：https://www.yuque.com/yinjianwei/vyrvkf/bdyoly 来源：殷建卫 - 架构笔记 著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权，非商业转载请注明出处。