JVM 专题十二：运行时数据区对象的实例化内存布局与访问定位

Posted 2020-12-14 qiu-hua

1. 对象的实例化

 

1.1 创建对象的方式

 

1. new

 

• 最常见的方式
• 变形1 ： Xxx的静态方法
• 变形2 ： XxBuilder/XxoxFactory的静态方法

 

3. Class的newInstance()：反射的方式，只能调用空参的构造器，权限必须是public
4. Constructor的newInstance(Xxx)：反射的方式，可以调用空参、带参的构造器，权限没有要求
5. 使用clone()：不调用任何构造器，当前类需要实现Cloneable接口，实现clone()
6. 使用反序列化：从文件中、从网络中获取一个对象的二进制流
7. 第三方库Objenesis

 

1.2 创建对象的步骤

 

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。

 

• 如果内存规整:

 

• 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
• 空闲列表分配

 

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），标记清除算法。

 

• 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。

 

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：

 

• 采用CAS配上失败重试、区域枷锁保证更新的原子性
• 每个线程预先分配一块TLAB

 

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-XX：+/-UseTLAB参数来 设定。

 

4. 初始化分配到的空间

 

所有属性设置默认值，保证对象实例字段在不赋值时可以直接使用。

 

给对象属性赋值操作：

 

• 属性的默认初始化(第4步)
• 显示初始化(第6步)
• 代码块中初始化(第6步)
• 构造器中初始化(第6步)

 

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

 

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。

       

2. 对象的内存布局

 

1. 对象头

 

• 运行时元数据

 

• 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

 

• 类型指针

 

• 指向类元数据InstanceClass，确定该对象所属的类型

 

|  说明：如果时数组、还需要记录数组的长度

 

2. 实例数据

 

• 规则

 

• 相同宽度的字段总是被分配在一起
• 父类中定义的变量会出现在子类之前
• 如果CompactFields(默认true)：子类的窄变量可能插入到父类变量的空隙

 

| 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本身拥有的字段)

 

3. 对齐填充：不是必须的，也没特别含义，仅仅起到占位符的作用
4. 小结

3. 对象的访问定位

 

1. 创建对象的目的是为了使用它
2. JVM是如何通过栈桢中的对象引用访问到其内部的对象实例的呢?

   

|  定位，通过栈上reference访问

 

3. 对象访问的方式

 

• 句柄访问

 

• 缺点：需要专门开辟空间，空间使用多一些；先找到句柄，再找对象，效率低一些
• 优点：如果对象发生移动，只用改句柄里面的地址，栈空间引用地址不需要改，比较稳定

       

 

• 直接指针(hotspot采用)

 

• 优点：不需要专门开辟空间；一步找到对象，效率高一些