JVM系列：对象的创建和访问

Posted 2021-04-17 智猿其说

一 对象的创建

Java语言是一门面向对象语言，在程序运行过程中无时无刻都有新的对象被创建出来。在Java程序中，创建对象的方式有多种，除了最常用的new关键字外，我们还可以通过反射机制、Object.clone 方法、反序列化以及 Unsafe.allocateInstance方法来新建对象。

其中，Object.clone方法和反序列化通过直接复制已有的数据，来初始化新建对象的实例字段。Unsafe.allocateInstance方法则没有初始化实例对象字段。而new语句和反射机制则是通过调用构造器来初始化实例字段。

我们通过最常用的new关键字新建对象时，虚拟机新建对象时需要经历下面几个步骤：

1.1 类加载检查

当JVM检测到一条new指令时，首先先检查该参数是否在常量池中定位到一个类的符号引用，并检查这个类的符号引用代表的类是否已被加载、解析和初始化。如果存在的话，JVM将直接使用已有的信息对该类进行操作。

如果没有，则执行相应的类加载过程。

1.2 分配内存

类加载检查通过后，虚拟机为新生对象分配内存，对象所需内存大小在类加载完成后就可以完全确定，为对象分配空间就是从Java堆中划分一块大小确定的内存。

不同的JVM垃圾收集器在分配内存时表现也不相同，具体表现有两种：

1. 如果垃圾收集器选择的是基于压缩整理算法的，那么内存是规整的。所有用过的内存在一边，没有使用的在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器。

2. 如果垃圾收集器选择的是基于标记-清除算法的，那么内存不是规整的。已使用的内存和未使用的内存相互交错，虚拟机维护一个列表，记录哪些内存是可用的以及内存块的位置和大小。

1.3 必要的设置

内存分配结束后，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这一步保证了对象的实例字段在Java代码中可以不用赋初始值就可以直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

其次是对对象进行必要的设置，例如对象是哪些类的实例、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（这个后面垃圾收集时再细说）信息。这些信息存放在对象的对象头之中。

1.4 初始化对象

当完成上述操作后，对象的内存分配成功了，但所有的字段都还是零值。此时会执行<init>方法，把对象按照代码所写的那样进行初始化，从而产生一个真正可用的对象。

二 对象的内存布局

对象的内存布局可以分为三个区域：对象头、实例数据、对齐填充。

1. 对象头：非固定的数据结构。一来是用来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。二来是类型指针（对象指向它的元数据的指针），JVM通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例对象，如果对象是一个Java数组，对象头中还需要有一块用来记录数组长度的数据。

2. 实例数据：存储对象真正有效的数据，也就是程序代码中定义的各种类型的字段内容。不论是从父类继承的，还是子类定义的。这部分的存储顺序会受到Java源码中的定义顺序的影响。

三 对象的访问方式

对象的访问在Java中无处不在，是最普通的程序行为，但即使是最简单的访问，也会涉及Java栈、Java堆、方法区这三个最重要内存区域之间的关联关系，如下面的这句代码：

Object obj = new Object();

由于reference类型在Java虚拟机规范里面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哪种方式去定位，以及访问到Java堆中的对象的具体位置，因此不同虚拟机实现的对象访问方式会有所不同，主流的访问方式有两种：使用句柄和直接指针。

3.1 使用句柄

3.2 直接指针

使用直接指针访问方式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，对于对象的访问在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。

我们使用最多的主流虚拟机Sun HotSpot就是使用的直接指针的方式进行对象访问的。

四 总结

本章主要讲解了对象的创建过程、在堆内存中的存储结构和访问方式，通过对象的访问我们可以把前面讲解的JVM内存模型中的方法区、堆、栈这三者关联起来，之间相互配合完成对象的创建及访问。