10_对象的实例化内存布局与访问定位

Posted 2021-09-08 root_zhb

对象的实例化内存布局与访问定位

• 1、对象的实例化
• • 1.1、创建对象的方式
  • 1.2、字节码角度
  • 1.3、执行角度
• 2、对象的内存布局
• • 2.1、对象头(Header)
  • 2.2、实例数据(Instance Data)
  • 2.3、对齐填充(Padding)
  • 2.4、图示
• 3、对象的访问定位
• • 3.1、句柄访问
  • 3.2、直接指针
  • 3.3、优缺点总结

1、对象的实例化

1.1、创建对象的方式

1.2、字节码角度

java程序

编译java文件，对 .class 文件进行反编译
javap -v -p xxxx.class
-p 作用：查看私有变量等信息

字节码文件

• 0——查找相应的常量池（new也叫零值初始化）——对应执行步骤4

• 3——复制，将栈空间中的操作数栈中当前变量的引用复制一份，即存在两个变量的引用
  （栈底的用于赋值操作，栈顶的作为句柄，调用相关的方法）

• 4——编译时产生两种类型方法<init>和<clinit>，这里是<init>，相当于类加载过程的初始化步骤（显式初始化）——执行6
  https://www.pianshen.com/article/79581637481/

• 7——astore将变量从操作数栈取出，放到局部变量表

1.3、执行角度

1. 判断对象对应的类是否加载、链接、初始化
   (虚拟机遇到一条new指令,首先去检查这个指令的参数能否在Metaspace的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经被加载、解析和初始化。( 即判断类元信息是否存在)。如果没有,那么在双亲委派模式下,使用当前类加载器以ClassLoader+包名+类名为Key进行查找对应的.class文件。如果没有找到文件,则抛出ClassNotFoundException异常,如果找到,则进行类加载,并生成对应的Class类对象)

2. 为对象分配内存：首先计算对象占用空间大小,接着在堆中划分一块内存给新对象。 如果实例成员变量是引用变量,仅分配引用变量空间即可,即4个字节大小
   (byte、int、float、引用数据类型4个字节大小 | double、long 占八个字节)

   • 如果内存规整,使用指针碰撞
     如果内存是规整的,那么虚拟机将采用的是指针碰撞法(BumpThePointer)来为对象分配内存。意思是所有用过的内存在一边,空闲的内存在另外一边,中间放着一个指针作为分界点的指示器,分配内存就仅仅是把指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。如果垃圾收集器选择的是Serial、ParNew这种基于压缩算法的,虚拟机采用这种分配方式。一般使用带有compact (整理)过程的收集器时,使用指针碰撞。
   • 如果内存不规整,虚拟机需要维护一个列表,使用空闲列表分配(CMS)
     如果内存不是规整的,已使用的内存和未使用的内存相互交错,那么虛拟机将采用的是空闲列表法来为对象分配内存。意思是虚拟机维护了一个列表,记录上哪些内存块是可用的,再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,并更新列表上的内容。这种分配方式成为“空闲列表(Free List)
   • 说明：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。
   • 如图：左边为指针碰撞，右边为空间列表分配
     

3. 处理并发安全问题
   (在分配内存空间时,另外一个问题是及时保证new对象时候的线程安全性：创建对象是非常频繁的操作,虚拟机需要解决并发问题。虚拟机采用 了两种方式解决并发问题：)

   • CAS ( Compare And Swap )失败重试、区域加锁：保证指针更新操作的原子性
   • 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,称为本地线程分配缓冲区,(TLAB ,Thread Local Allocation Buffer) 虚拟机是否使用TLAB,可以通过一XX：+/一UseTLAB参数来 设定

4. 初始化分配到的空间:赋予默认的初始化值；比如int=0| boolean=false(默认的值)

5. 设置对象的对象头：将对象的所属类(即类的元数据信息)、对象的HashCode和对象的GC信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于JVM实现。

6. 执行init方法进行初始化(进行赋值的处理)
   (在Java程序的视角看来,初始化才正式开始。初始化成员变量,执行实例化代码块,调用类的构造方法,并把堆内对象的首地址赋值给引用变量。因此一般来说(由字节码中是否跟随有invokespecial指令所决定),new指令之 后会接着就是执行方法,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创建出来。)

7. 代码

/**
 * 测试对象实例化的过程
 *  ① 加载类元信息 - ② 为对象分配内存 - ③ 处理并发问题  - ④ 属性的默认初始化（零值初始化）
 *  - ⑤ 设置对象头的信息 - ⑥ 属性的显式初始化、代码块中初始化、构造器中初始化
 *
 *  给对象的属性赋值的操作：
 *  ① 属性的默认初始化 - ② 显式初始化 / ③ 代码块中初始化 - ④ 构造器中初始化
 * 
 */
public class Customer{
    int id = 1001;
    String name;
    Account acct;

    {
        name = "匿名客户";
    }
    public Customer(){
        acct = new Account();
    }

}

class Account{

}

2、对象的内存布局

①. 对象内部结构分为：对象头、实例数据、对齐填充(保证8个字节的倍数)
②. 对象头分为对象标记(markOop)和类元信息(klassOop),类元信息存储的是指向该对象类元数据(klass)的首地址

2.1、对象头(Header)

1. 运行时元数据（对象标记Mark Word）
2. 类型指针（Klass Words）
3. 如果对象是一个数组，那么还可能包含第三部分：数组的长度（见上图右）。

---

1. 对象标记Mark Word 默认存储 (哈希值(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)等信息

   • 这些信息都是与对象自身定义无关的数据，所以MarkWord被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据。
   • 它会根据对象的状态复用自己的存储空间，也就是说在运行期间MarkWord里存储的数据会随着锁标志位的变化而变化。
     

2. 对象头多大 在64位系统中,Mark Word占了8个字节,类型指针占了8个字节,一共是16个字节
   

3. 类元信息(又叫类型指针) 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

2.2、实例数据(Instance Data)

说明:它是对象真正存储的有效信息,包括程序代码中定义的各种类型的字段(包括从父类继承下来的和本身拥有的字段) 规则:

1. 相同宽度的字段总被分配在一起
2. 父类中定义的变量会出现在子类之前
3. 如果CompactFields参数为true(默认为true),子类的窄变量可能插入到父类变量的空隙

2.3、对齐填充(Padding)

非必须，无特别含义，仅仅起到占位符的作用

2.4、图示

• ①. 代码

public class CustomerTest {
    public static void main(String[] args) {
    	//Customer实现见1.3的7 
        Customer cust = new Customer();
    }
}

• ②. 图解
  

3、对象的访问定位

3.1、句柄访问

3.2、直接指针

3.3、优缺点总结

效率：
句柄访问：句柄需要单独开辟空间，通过句柄来访问效率低（隔了一层）
直接指针：节省空间，速度快

稳定性：
句柄访问：reference中存储稳定句柄地址，对象被移动（垃圾收集时移动对象很普遍）时只会改变句柄中实例数据指针即可，reference本身不需要修改

直接指针：栈空间地址需要修改