【Java -- 虚拟机】Java对象的创建、内存布局 & 访问定位

一、前言

了解 Java 对象从被创建、存储 & 怎么被使用的整个过程十分重要 对应过程则是：对象创建、对象内存布局、对象访问定位的三个过程。

二、对象创建

在开发使用时，创建 Java 对象仅仅只是是通过关键字 new：

A a = new A()；

可是 Java 对象在虚拟机中创建则是相对复杂。

1. 创建过程

当遇到关键字 new 指令时，Java 对象创建过程便开始，整个过程如下：

2. 过程步骤

步骤1：类加载检查

• 检查该new指令的参数 是否能在 常量池中 定位到一个类的符号引用
• 检查该类符号引用 代表的类是否已被加载、解析和初始化过

步骤2：为对象分配内存

• 虚拟机将为对象分配内存，即把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来
• 关于分配内存，此处主要讲解内存分配方式
• 内存分配 根据 Java堆内存是否绝对规整 分为两种方式：指针碰撞 & 空闲列表
  • Java堆内存 规整：已使用的内存在一边，未使用内存在另一边
  • Java堆内存 不规整：已使用的内存和未使用内存相互交错

方式1：指针碰撞

• 假设Java堆内存绝对规整，内存分配将采用指针碰撞
• 分配形式：已使用内存在一边，未使用内存在另一边，中间放一个作为分界点的指示器
• 那么，分配对象内存 = 把指针向 未使用内存 移动一段 与对象大小相等的距离 方式2：空闲列表
• 假设Java堆内存不规整，内存分配将采用 空闲列表
• 分配形式：虚拟机维护着一个 记录可用内存块 的列表，在分配时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

特别注意： 对象创建在虚拟机中是非常频繁的操作，即使仅仅修改一个指针所指向的位置，在并发情况下也会引起线程不安全。

所以，给对象分配内存会存在线程不安全的问题。

解决 线程不安全 有两种方案：

1. 同步处理分配内存空间的行为

虚拟机采用 CAS + 失败重试的方式 保证更新操作的原子性

2. 把内存分配行为 按照线程 划分在不同的内存空间进行

1. 即每个线程在 Java堆中预先分配一小块内存（本地线程分配缓冲（Thread Local Allocation Buffer ，TLAB）），哪个线程要分配内存，就在哪个线程的TLAB上分配，只有TLAB用完并分配新的TLAB时才需要同步锁。 2.虚拟机是否使用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。

步骤3： 将内存空间初始化为零值 内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间初始化为零（不包括对象头）

1. 保证了对象的实例字段在使用时可不赋初始值就直接使用（对应值 = 0）
2. 如使用本地线程分配缓冲（TLAB），这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。

步骤4： 对对象进行必要的设置 如，设置 这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。

这些信息存放在对象的对象头中。

三、对象的内存布局 在 Java 对象创建后，到底是如何被存储在Java内存里的呢？

答：在Java虚拟机（HotSpot）中，对象在 Java 内存中的 存储布局 可分为三块：

1. 对象头 存储区域
2. 实例数据 存储区域
3. 对齐填充 存储区域 1. 对象头区域

• 对象自身的运行时数据（Mark Word）

1. 如哈希码（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
2. 该部分数据被设计成1个 非固定的数据结构 以便在极小的空间存储尽量多的信息（会根据对象状态复用存储空间）

• 对象类型指针

1. 即对象指向它的类元数据的指针
2. 虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例

特别注意 如果对象 是 数组，那么在对象头中还必须有一块用于记录数组长度的数据

因为虚拟机可以通过普通Java对象的元数据信息确定对象的大小，但是从数组的元数据中却无法确定数组的大小。

2. 实例数据 区域

• 存储的信息：对象真正有效的信息
• 注：这部分数据的存储顺序会受到虚拟机分配参数（FieldAllocationStyle）和字段在Java源码中定义顺序的影响。

// HotSpot虚拟机默认的分配策略如下：
longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oop(Ordinary Object Pointers)
// 从分配策略中可以看出，相同宽度的字段总是被分配到一起
// 在满足这个前提的条件下，父类中定义的变量会出现在子类之前

CompactFields = true；
// 如果 CompactFields 参数值为true，那么子类之中较窄的变量也可能会插入到父类变量的空隙之中。

3. 对齐填充 区域

• 存储的信息：占位符
• 因为对象的大小必须是8字节的整数倍
• 而因HotSpot VM的要求对象起始地址必须是8字节的整数倍，且对象头部分正好是8字节的倍数。
• 因此，当对象实例数据部分没有对齐时（即对象的大小不是8字节的整数倍），就需要通过对齐填充来补全。

四、对象的访问定位 建立对象后，该如何访问对象呢？

答：Java程序 通过 栈上的引用类型数据（reference） 来访问Java堆上的对象

由于引用类型数据（reference）在 Java虚拟机中只规定了一个指向对象的引用，但没定义该引用应该通过何种方式去定位、访问堆中的对象的具体位置

所以对象访问方式取决于虚拟机实现。目前主流的对象访问方式有两种：

• 句柄 访问
• 直接指针 访问