深入理解JVM：HotSpot虚拟机对象探秘

Posted 2020-09-28 wzjhoutai

对象的创建
java是一门面向对象的语言。在Java程序执行过程中无时无刻有Java对象被创建出来。在语言层面上，创建对象（克隆、反序列化）一般是一个newkeyword而已，而在虚拟机中，对象的创建步骤例如以下：
1、当虚拟机遇到new指令时。首先将去检查这个指令參数能否在常量池中定位到一个类的引用符号，而且检查这个符号引用代表的类是否被载入、解析和初始化过。假设没有。那必须先执行相应的类载入过程。
2、在类载入检查通过以后。接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需的内存大小在类载入后便确定。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堆划分出来。

假设Java堆中的内存并非规整的，已使用的内存和空暇内存相互交错，那就没办法简单的进行指针碰撞了，虚拟机就必须维护一个队列表，记录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分给对象实例，并更新列表上的记录，这样的分配方式称为：“空暇列表”。选择哪种分配方式由Java堆是否规则决定。
除了怎样划分可用空间之外。还有另外一个须要考虑的问题是对象创建在虚拟机中是很频繁的行为，即使是仅仅改动一个指针所指向的位置，在并发情况下也并非线程安全的。可能出现正在给对象A分配内存，指针还没来得及改动，对象B又同一时候使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这一问题的方案是：
2.1、对分配内存空间的动作进行同步处理——实际上虚拟机採用CAS配上失败重试的方式，保证更新操作原子性
2.2、把内存分配的动作依照线程划分在不同空间之中进行。即每一个线程在Java堆中预先分配一小块内存。称为本地线程分配缓存（TLAB）。哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，仅仅有TLAB用完并分配新的TLAB时，才须要同步锁定。虚拟机是否使用TLAB，能够通过-XX：+/-UseTLAB參数来设定。

3、内存分配完毕以后。虚拟机须要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），假设使用TLAB，这一工作过程也能够提前至TLAB分配时进行，这一步操作保证了对象实例字段在Java代码中能够不赋初始值就能直接使用，程序能訪问到这些字段的数据类型所相应的零值。

4、接下来虚拟机要对对象进行必要的设置，比如：这个对象是哪个类的实例、怎样才干找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象GC分代年龄信息等。这些信息存放在对象的信息头之中。依据虚拟机执行状态的不同。如是否使用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。
上述工作完毕以后，从虚拟机角度来看，一个新的对象已经产生了，可是从Java程序来看，对象才刚刚開始——（init）方法还没有执行。全部的字段都还为零，所以，一般来说。执行new命令后。会接着执行init方法。把对象依照程序猿的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算全然产生出来。
对象的内存布局
还Hotspot虚拟机中，对象的内存中存储的布局分为3块区域：对象头（header）、实例数据（Instance Data）、对其填充（Padding）
Hotspot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储自身执行时的数据，比如：哈希码、GC分代年龄、锁状态标识、线程持有锁、偏向线程id、偏向时间戳，这部分数据数据长度在32位和64位的虚拟机（未开启指针压缩）中分别为32bit和64bit，官方称为’Mark word’。

对象须要存储的执行时的数据许多。已经超出了32位、64位bitmap结构所能记录的限度，可是对象头信息是与对象自身定义的数据无关额外的存储成本，考虑到虚拟机的空间效率。Mark work被设计成一个非固定的数据结构以便在极小空间内存储尽可能多的信息，他会依据对象状态复用自己的存储空间。

对象头的还有一部分是类型指针，即对象指向他的类元数据的指针。虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。

假设对象是一个Java数组，那在对象中还必须有一块用于记录数组长度的数据。因为虚拟机可通过普通 Java对象的元数据信息确定Java对象的大小，可是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。
接下来的实例数据是对象真正存储的有效信息。也是在程序代码中所定义的各种类型的字段内容。不管是从父类继承下来的还是在子类中定义的，都须要记录下来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略參数和字段在Java源代码中定义顺序的影响。

Hotspot虚拟机的分配策略是同样宽度的字段总是被分配到一起。在满足这个前提条件下。在父类中定义的变量会出如今子类之前。
对象的訪问定位
建立对象是为了使用对象，我们的Java程序须要通过栈上的reference数据来操作堆上的详细对象。因为reference类型在Java虚拟机规范中仅仅规定了一个指向对象的引用。并未定义这个引用应该通过何种方式去定位、訪问堆中对象的详细位置。所以对象訪问方式也是取决于虚拟机实现而定的。眼下主流的訪问方式有两种使用句柄和直接指针
使用句柄
Java堆会中将会划分出一块内存作为句柄池，reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包括了对象实例数据与类型数据各自详细的地址信息。
Java堆会中将会划分出一块内存作为句柄池。reference中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包括了对象实例数据与类型数据各自详细的地址信息。

使用直接指针
Java堆对象的布局中必须考虑怎样设置訪问类型数据的信息，而reference中存储的直接就是对象地址

这两种对象訪问方式各有优势，使用句柄訪问的最大优点就是reference中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动（垃圾收集时移动对象是很普遍的行为）时仅仅会改变句柄中实例数据指针。而reference本身不须要改动。
使用直接指针的最大优点是速度快，他节省了一次指针定位的时间开销。因为对象的訪问在Java中很频繁，因此这类开销积少成多也是很可观的。