java虚拟机2.运行时内存对象

Posted 2021-01-17 shanhm1991

• 对象的创建

虚拟机遇到一条new指令时，首先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。

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，所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那分配内存就仅仅是把那个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。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，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，纪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给对象实例，并更新列表上的纪录，这种分配方式称为空闲列表。选择哪种分配方式由java堆是否规整决定，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。因此，在使用Serial、ParNew等带Compact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。

除了内存分配方式，另外一个需要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅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。解决方案有两种，一种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。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TLAB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。

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），如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前到TLAB分配时进行。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，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

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据信息、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之中。根据虚拟机当前的运行状态的不同，入是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

在上面工作都完成后，从虚拟机的角度来看，一个新的对象已经产生了，但从java程序的角度来看，对象创建才刚刚开始，<init>方法还没有执行，所有字段都还未零。所以，一般来说，执行new指令之后会接着执行init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产生出来。

• 对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可用分为3块区域：对象头、实例数据、对齐填充。

HotSpot中，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、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，但是对象头信息是与对象对象自身定义的数据无关的额外存储成本，考虑到虚拟机的空间效率，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。

对象头的另一部分是类型指针，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。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，即查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。另外，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，但从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

实例数据不仅是对象真正存储的有效信息，也是程序代码中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，都需要记录起来。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源码中定义顺序的影响。HotSpot的默认分配策略为long/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops，可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起。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CompactFileds参数值为true(默认),那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它仅仅起着占位符的作用。由于HotSpot的自动内存管理系统要求对象的其实地址必须是8字节的整数倍，换句话说，对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分是8字节的倍数，所以，当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

• 对象的访问定位

java程序需要通过栈上的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的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中对象的具体位置，所有对象访问方式也取决于虚拟机实现而定。主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种方式。

使用句柄的话，在java堆中将会划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的具体地址信息。使用直接指针访问的话，那么java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址。

两种方式各有优势，使用句柄的最大好处就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（在垃圾收集时移动对象是非常普遍的行为）时只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。使用直接指针的最大好处就是速度更快，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后也是一项非常可观的执行成本。而在HotSpot中使用的就是直接指针方式。

 

#笔记内容参考《深入理解java虚拟机》