基础回顾——Java对象创建内存分配访问定位概述

Posted 2022-12-03 aspook

对象创建与内存分配

Java中创建对象并为其分配内存的过程如下：

1. Java语言层面执行new关键字

   在Java中，通常使用new关键字来创建一个对象（还没有对象的可以试试^_^），对应在虚拟机中会触发一条new指令。

2. 虚拟机处理new指令

   当虚拟机触发一条new指令时，首先根据指令参数去常量池中检查是否有相关类的符号引用，进一步检查它是否已经被加载、解析和初始化，如果没有，则需要先加载类。对类加载相关的信息判断完成之后，才开始为对象分配内存。

3. 为对象分配内存

   根据堆内存的规整状态（堆内存是否规整又由垃圾收集器的算法规则决定）常用如下两种方式：

   1. 指针碰撞

      适用于堆内存绝对规整，没有碎片，用过的内存在一边，未用过的内存在另一边的情况。两段内存之间放置一个边界指针，分配内存时仅需要把指针向空闲内存段移动对象大小的距离即可。

   2. 空闲列表

      适用于堆内存无规则，用过的内存与空闲内存交错的情况。此时虚拟机维护一个记录内存使用状态的列表，分配内存时，寻找一块能容下对象大小的空闲片段，并更新列表记录。

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      说明：由于堆内存是线程共享区域，如果多线程同时为对象分配内存，则上述方法必然存在线程安全问题。通常可想到的方案是对内存分配动作进行同步加锁处理，但这种方式必然影响效率；另一种方案为采用TLAB（Thread Local Allocation Buffer）方式，即先为每个线程分配一块内存，然后哪个线程需要为对象分配内存时，就在各个线程的内存区域内部分配，这也可以保证各个线程间互不影响。当TLAB空间用完重新分配时，才需要同步处理。

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4. 将分配的内存空间初始化为零值

   内存分配完成后，虚拟机有个初始化零值的过程，如果使用TLAB方式，此操作也可能提前到TLAB分配时进行。正因为如此，我们平时创建一个对象后，其字段有初始值，如int返回0，boolean返回false。

5. 虚拟机对对象进行必要设置

   主要是存储一些信息，如此对象属于哪个类、怎么样获取类的元数据、对象的hashcode、对象的GC分代年龄等信息，这些信息存放在对象的对象头中（对象在内存中的存储布局分为3个区域：对象头、实例数据、对齐填充）。

6. <init>方法执行，完成对象的真正初始化

   上述5步之后，已经创建了一个对象了，但各个字段被置为零值，接下来会执行<init>方法，根据开发者的代码逻辑来初始化对象，这样才算真正完成了对象的创建。

对象访问方式

创建好Java对象之后，就需要使用对象。在虚拟机栈上只定义了一个指向堆内的引用，主流有两种方式去操作对象：

1. 使用句柄

   此种方案会在堆中创建一个句柄池，栈中的引用存储的是对象句柄的地址，因此栈中的引用指向堆中的句柄池中的某个句柄，而对象句柄则存储了对象实例数据和类型数据的信息（它们的具体地址），示意图（来自《深入理解Java虚拟机》）如下：

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2. 直接指针

   此种方案就是栈中的引用存储的就是堆中对象的地址，直接指向堆中的对象，因此在堆中对象的存储布局中就要考虑如何存放类型数据等信息，示意图（来自《深入理解Java虚拟机》）如下：

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   说明：上述两种方式各有优缺点。

   对于句柄方式，由于栈引用存储的是对象句柄地址，因此对象移动时（GC引发）只需要修改对应句柄指向的对象地址即可，栈中的引用不用修改；其缺点就是访问较慢，因为有两次指针定位。

   对于直接指针方式，它的优点就是只有一次指针定位，访问速度快，当然句柄方式的优点也是其缺点。Sun的HotSpot虚拟机是使用直接指针的方式来访问对象的。

参考文献

《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》