对象创建、内存布局、访问定位

1.对象创建

当 Java 虚拟机遇到一条字节码 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。

1.1 内存分配

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，Java 堆分配内存的方式：

  • 指针碰撞（Bump The Pointer）：假设 Java 堆中内存是绝对规整的，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，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方向挪动一段与对象大小相等的距离；
  • 空闲列表（Free List）：已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起，那就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个列表，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；

垃圾收集算法：

  • 空间压缩整理（Compact）=> 内存规整 => 指针碰撞
  • 清除（Sweep）=> 空间列表

对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使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，可能出现正在给对象 A 分配内存，指针还没来得及修改，对象 B 又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。

  • 同步处理：对分配内存空间的动作进行同步处理，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；
  • 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，即每个线程在 Java 堆中预先分配一小块内存；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。

在 CMS 的实现里面，为了能在多数情况下分配得更快，设计了一个叫作 Linear Allocation Buffer 的分配缓冲区，通过空闲列表拿到一大块分配缓冲区之后，在它里面仍然可以使用指针碰撞方式来分配。

1.2 内存初始化

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。

这步操作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。
Java 零值：https://www.yuque.com/blackist/java/denwe5

1.3 必要设置

  • 对象是哪个类的实例
  • 如何才能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。
根据虚拟机当前运行状态的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

至此，一个对象产生了~

1.4 构造函数

从 Java 程序的视角看来，对象创建才刚刚开始——构造函数，即 Class 文件中的 () 方法还没有执行，所有的字段都为默认的零值，对象需要的其他资源和状态信息也还没有按照预定的意图构造好。

一般来说（由字节码流中 new 指令后面是否跟随 invokespecial 指令所决定，Java 编译器会在遇到 new 关键字的地方同时生成这两条字节码指令，但如果直接通过其他方式产生的则不一定如此），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。

2.内存布局

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）

  • 对齐填充（Padding）

    2.1 对象头

    对象头包含两部分

  • 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”。
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  • 类型指针：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；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。
    HotSpot 虚拟机默认的分配顺序为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops（Ordinary Object Pointers，OOPs），从以上默认的分配策略中可以看到，相同宽度的字段总是被分配到一起存放，在满足这个前提条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果 HotSpot 虚拟机的 +XX：CompactFields 参数值为 true（默认就为 true），那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙之中，以节省出一点点空间。

    2.3 对齐填充

    仅仅起着占位符的作用。
    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。

    3.访问定位

  • 句柄

  • 直接指针

    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；
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    3.2 直接指针

    Java 堆中对象的内存布局就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，reference 中存储的直接就是对象地址，如果只是访问对象本身的话，就不需要多一次间接访问的开销；最大的好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象访问在 Java 中非常频繁，因此这类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本；
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