【深入学习JVM 02】HotSpot虚拟机对象探秘

虚拟机运行时数据区域描述了虚拟机管理的内存划分情况，但是目前我们对于虚拟机还是有很多困惑，比如：

• 问题1：如何为对象分配内存？
• 问题2：对象内存模型是怎样的？
• 问题3：是怎样访问内存中的对象的？
• 问题4：分配内存的时候如果遇到并发问题，怎么保证分配操作的线程安全性？

为了搞清楚这些问题，我们先从虚拟机是如何创建对象开始讲起。

一、对象创建过程

当虚拟机遇到一条new 指令时，便会进行对象的创建过程。

创建对象的过程如下：

• 1.检查常量池中有没有这个类的符号引用，并且检查这个符号引用代表的类有没有被虚拟机加载过。

如果没有被加载过，则执行类加载过程，然后进入下一步； 如果已加载，则进入下一步。

• 2.根据方法区中类的信息，在堆区划分一块确定大小的内存给对象。

（经过类加载后，类的信息被保存在方法区中，一个类的对象所需的内存大小也固定下来。）

• 3.为对象的成员变量赋初始值

内存分配完成之后，需要对分配的内存空间部分区域的内容都初始化为零值。 这一步保证了对象成员变量在 java 代码中可以不赋初始值。

• 4.设置 对象头 中的信息

  关于对象头是什么, 别急，继续往下看。

• 5.调用 <init> 方法进行初始化

  别再问 <init> 是什么了,先往下看。

二、问题1解惑：

在堆区分配内存有两种方式。

• 指针碰撞法

如果堆中内存是规整的，即所有用过的内存都放在一边，空闲的内存放在另一边，中间用一个指针做分界点的指示器。

分配内存的过程，实际上就是 指针向空闲空间那边移动一段与对象大小相等的距离 。

• 空闲列表法

java堆中的内存如果不是规整的，就需要使用空闲列表的分配方式。

空闲列表概念：虚拟机维护了一个列表，用于记录哪些内存块是可用的。

在分配的时候， 从列表中找到一块满足对象大小的内存空间划分给对象实例，同时会更新列表上的记录 。

• 关于两种分配方式的选择

选择哪种分配方式取决于java堆是否规整。

而java堆是否规整取决于所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理的功能。

因此，选择哪种分配方式最终 取决于使用了哪种垃圾收集器 。

• 使用了指针碰撞的垃圾收集器有哪些？

serial、ParNew等基于复制算法或标记整理（Mark Compact）算法的收集器，不会导致内存碎片，因此使用的是指针碰撞。

• 采用空闲链表垃圾收集器有哪些？

CMS等基于Mark-Sweep（标记清除）算法的收集器，会产生内存碎片，所以使用空闲列表法。

三、问题2解惑

对象在内存中的数据除了实例本身的数据外，还包括 对象头 和 对齐填充

3.1 实例数据

实例数据存储的是成员变量的值，包括从父类继承下来的成员变量。

成员变量在内存中的顺序：相同宽度的字段会分配在一起，父类定义的变量会出现在子类之前， 默认情况下，子类中较窄的变量可能会被插入到父类变量的间隙中。反正就是不一定按定义的顺序来分配。

3.2 对象头是什么？

对象头的作用是记录对象在运行过程中所需的数据。

比如对象属于哪个类的实例、所属类的信息在方法区中的位置（类型指针）、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。这些信息就保存在对象头中（Object Header）

3.3 对齐填充又是什么？

对齐填充是用于确保对象的内存的总长度为8字节的整数倍。

为什么要是确保是8字节的整数倍呢？

因为hotspot要求对象起始地址为8字节的整数倍以便于自动内存管理， 换句话说，对象的总长度要为8字节的整数倍才能保证如此。 而又因为对象头正好是8字节（32位或64位）的整数倍，但是实例数据长度是任意的，因此需要对齐补充来确保整个对象总长度为8字节的整数倍。

四、问题3解惑

java程序需要通过引用来操作堆上的具体数据。 根据引用存放的地址类型的不同，对象有不同的访问方式

主要有两种访问方式：

• 使用句柄访问
• 使用直接指针访问

4.1 使用句柄访问

堆中会划分一块内存用来做句柄池。引用中存储的就是对象的句柄地址。句柄包含了对象实例数据和对象类型的数据的指针。

通过引用访问对象的时候，会首先根据引用找到对象的句柄，然后根据句柄中对象的地址来访问对象。

4.2 使用直接指针访问

引用中存储的直接是对象的地址，直接通过引用来访问对象。

4.3 两种方式对比

• 使用句柄

  • 优点：引用中存储的是稳定的句柄地址，发生垃圾收集时可能会移动对象，这时候只需要改变句柄中实例数据的指针指向新对象，而引用的值不需要改。
  • 缺点：需要两次寻址。

• 使用直接指针

  • 优点：速度快，一次寻址即可。
  • 缺点：需要在对象实例的内存中保存一个指向方法区中该类型数据的指针。不过使用句柄方式句柄中也需要保存类型指针。

直接指针的速度快，hotspot采用就是直接指针的方式

五、问题4解惑

对象分配内存不是线程安全的，比如给对象A分配内存，还没来得及修改指针的指向， 另一个线程创建对象B也用了原来的指针，这样就会出问题的。

如何解决？

• 方案1： 对分配内存空间的动作进行同步处理

实际上虚拟机采用CAS配上失败重试的方式保证更新指针操作的原子性。

• 方案2：把内存分配的动作按照线程划分在不同的空间中进行

即：每个线程在java堆中预分配一小块内存， 这一小块内存称作“本地线程分配缓冲"（Thread Local Allocation Buffer, TLAB）

内存分配的过程就可以总结为：不同线程使用指针碰撞或者空闲列表的方式在各自的 TLAB 上分配内存。

当线程的 TLAB 用完需要分配新的 TLAB ，这时候才需要同步内存分配操作。

虚拟机是否需要使用 TLAB ，可以通过 -XX:+/-UseTLAB 参数来决定。

六、遗留问题：<init>方法是个啥？

从上面对象的创建过程，我们可以了解到，在内存分配完成之后，所有成员变量的值都还只是零值。

对于虚拟机来说，对象创建已经完毕，但是，对于java程序来说，对象的初始化才刚开始。

成员变量的初始化工作交由 <init> 方法的来完成。

编译器收集了成员变量上的赋值操作，实例初始化代码块的赋值操作，以及构造方法中的赋值操作，构成了 <init> 方法，并执行，对象就得到了初始化。

学习过java基础的人都知道，对象初始化的顺序为: 成员变量上的赋值-->实例初始化块-->构造方法。

<init> 方法就解释了为什么是这个过程。

七、讲点对象头

对象头的内存模型分三部分：

• Mark Word
• 类型指针
• 记录数组的长度

7.1 Mark Word

存放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。 长度为32位或者64位（32位虚拟机和64位虚拟机）。

mark word是一个非固定的数据结构，在不同情况下结构会有所变化。

比如：在32位的虚拟机中，如果对象处于未被锁定的状态， mark Word的32位空间将有25位用于存储hashcode, 4位用于存储对象的分代年龄，2位用于存储对象上锁 标志，1位固定为0

这些东西我就不一个个介绍他们是用来干嘛的，讲多了反而复杂，大概了解就行，有兴趣的可以百度。

7.2 类型指针

一个指向类元数据的指针，通过这个指针，可以确定对象是哪个类的实例。记住，这个指针是在对象头中，但不是在Mark Word中的。