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Java 是一门面向对象的编程语言程序运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。在语言层面上创建对象通常仅仅是一个 new 关键字而虚拟机中对象仅限于普通 Java 对象不包括数组和 Class 对象的创建又是怎样一个过程呢
当 Java 虚拟机遇到一条字节码 new 指令时首先将去检查这个指令的参数是否能在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被加载、解析和初始化过。如果没有那必须先执行相应的类加载过程。
在类加载检查通过后接下来虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定为对象分配空间的任务实际上便等同于把一块确定大小的内存块从 Java 堆中划分出来。
指针碰撞Bump The PointerJava 堆中内存是绝对规整的所有被使用过的内存都被放在一边空闲的内存被放在另一边中间放着一个指针 A 作为分界点的指示器。分配内存就仅仅是把指针 A 向空闲空间方向挪动一段与对象大小相等的距离空闲列表Free ListJava 堆中的内存不是规整的已被使用的内存和空闲的内存相互交错在一起这就没有办法简单地进行指针碰撞了。虚拟机就必须维护一个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
选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定而 Java 堆是否规整又由所使用的垃圾收集器是否带有空间压缩整理的Compact能力决定。因此当使用 Serial、ParNew 等带压缩整理过程的收集器时系统采用指针碰撞既简单又高效而当使用 CMS 这种基于清除Sweep算法的收集器时理论上就只能采用较为复杂的空闲列表来分配内存。 理论上是因为在 CMS 的实现里面为了能在多数情况下分配得更快设计了一个叫做 Linear Allocation Buffer 的分配缓冲区通过空闲列表拿到一大块分配缓冲区后在它里面仍然可以使用指针碰撞方式来分配 除如何划分可用空间之处还有另外一个需要考虑的问题对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为即使仅仅修改一个指针所指向的位置在并发情况下也并不是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修改对象 B 又同时使用了原来的指针来分配内存的情况。解决这个问题有两种可选方案
对分配内存空间的动作进行同步处理实际上虚拟机是采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性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 堆中预先分配一小块内存称为本地线程分配缓冲区Thread Local Allocation BufferTLAB哪个线程要分配内存就在哪个线程的本地缓冲区中分配只有本地缓冲区用完了分配新的缓冲区时才需要同步锁定。虚拟机是否使用 TLAB可以通过 -XX: /-UseTLAB 参数来设定
内存分配完成之后虚拟机必须将分配到的内存空间但不包括对象头都初始化为零值如果是用了 TLAB 的话这一项工作也可以提前至 TLAB 分配时顺便进行。这步操作保证了对象的实例字段在 Java 代码中可以不赋初始值就直接使用使程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。
接下来Java 虚拟机还要对对象进行必要的设置例如这个对象是哪个类的实例、如何才能找到类的元数据信息、对象的哈希码实际上对象的哈希码会延后到真正调用 Object::hashCode 方法时才计算、对象的 GC 分代年龄等信息。这些信息存放在对象的对象头Object Header之中。根据虚拟机当前运行状态的不同如是否启用偏向锁等对象头会有不同的设置方式。
在上面的工作都完成之后从虚拟机的视角来看一个新的对象已经产生了。但是从 Java 程序视角来看对象创建才刚刚开始构造函数即 Class 文件中的 init 方法还没执行所有的字段都为默认的零值对象所需要的其他资源和状态信息也还没有按照预订的意图构造好。一般来说由字节码流中 new 指令后面是否跟随 invokespecial 指令所决定Java 编译器会在遇到 new 关键字的地方同时生成这两条字节码指令但如果直接通过其它方式产生的则不一定如此new 指令之后会接着执行 init 方法按照程序员的意愿对对象进行初始化这样一个真正的可用的对象才算完全被构造出来。
2、对象的内存布局
在 HotSpot 虚拟机里对象在堆内存中的存储布局可以划分为三个部分
2.1、对象头Header
HotSpot 虚拟机的对象头部分包括两类信息第一类是用于存储对象自身的运行时数据如哈希码HashCode、GC 分代年龄、锁状态标志、线程持有的锁、偏向线程 ID、偏向时间戳等这部分数据的长度在 32 位和 64 位的虚拟机未开启压缩指针中分别为 32 bit 和 64 bit官方称为 Mark Word。对象需要存储的运行时数据很多其实已经超出了 32、64 位 Bitmap 结构所能记录的最大限度但对象头里的信息是与对象自身定义的数据无关的额外存储成本。考虑到虚拟机的空间效率Mark Word 被设计成一个有着动态定义的数据结构以便在极小的空间内存存储尽量多的数据根据对象的状态复用自己的存储空间。
例如在 32 位的 HotSpot 虚拟机中如对象未被同步锁锁定的状态下Mark Word 的 32 bit 存储空间中的 25 bit 用于存储对象哈希码4 bit 用于存储对象分代年龄2 bit 用于存储锁标志位1 bit 固定为 0在其他状态轻量级锁定、重量级锁定、GC 标志、可偏向下对象的存储内容下 对象头的另一部分是类型指针即对象指向它的类型元数据的指针Java 虚拟机通过这个指针来确定该对象是哪个类的实例。并不是所有虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针换句话说查找对象的元数据信息并不一定要经过对象本身。此外如果对象是一个 Java 数组那在对象头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 Java 对象的大小但是如果数组的长度是不确定的将无法通过元数据的信息推断出数组的大小。 下面代码示例为 HotSpot 虚拟机代表 Mark Word 中的代码markOop.cpp注释片段它描述了 32 位虚拟机 Mark Word 的存储布局
// Bit-format of an object header (most significant first, big endian layout below):
//
// 32 bits:
// --------
// hash:25 ------------| age:4 biased_lock:1 lock:2 (normal object)
// JavaThread*:23 epoch:2 age:4 biased_lock:1 lock:2 (biased object)
// size:32 ------------------------------------------| (CMS free block)
// PromotedObject*:29 ----------| promo_bits:3 -----| (CMS promoted object)
2.2、实例数据Instance Data
实例数据部分是对象真正存储的有效信息即在程序代码中所定义的各种类型的字段无论是从父类继承的还是在子类中定义的字段都必须记录起来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数-XX: FieldsAllocationStyle和字段在 Java 源码中定义顺序的影响。
HotSpot 虚拟机默认的分配顺序为 longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oopsOrdinary Object Pointers 普通对象指针OOPs从默认的分配策略中可以看到相同宽度的字段总是被分配到一起存放在满足这个前提条件的情况下在父类中定义的变量会出现在子类之前。如果 HotSpot 虚拟机的 XX: CompactFields 参数值为 true默认值为 true那子类之中较窄的变量也允许插入父类变量的空隙之中以节省空间。
2.3、对齐填充Padding
这并不是必然存在的也没有特别的含义仅仅起着占位符的作用。由于 HotSpot 虚拟机的自动内存管理系统要求起始地址必须是 8 字节的整数倍换句话说就是任何对象的大小都比必须是 8 字节的整数倍。对象头部分已经被精心设计成正好是 8 字节的倍数一倍或者两倍因此如果对象实例数据部分没有对齐的话就需要通过对齐填充来补全。
3、对象的访问定位
Java 程序是通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。由于 reference 类型在《Java 虚拟机规范》里面只规定了它是一个指向对象的引用并没有定义这个引用应该通过什么方式去定位、访问到堆中对象的具体位置所以对象访问方式也是由虚拟机实现而定的主流的访问方式主要使用句柄、直接指针两种
使用句柄访问Java 堆中划分出一块内存来作为句柄池reference 中存储的就是对象的句柄地址而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自具体的地址信息其结构如果所示 使用直接指针访问Java 堆中对象的内存布局就必须考虑如何设置访问类型数据的相关信息reference 中存储的直接就是对象地址如果只是访问对象本身的话就不需要多一次间接访问的开销如图所示 对象实例数据对象中各个实例字段的数据 对象类型数据对象的类型、父类、实现接口、方法等 这两种对象访问方式各有优势
使用句柄来访问的最大好处就是 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非常普遍的行为时只会改变句柄中的实例数据指针而 reference 本身不需要被修改。
使用直接指针来访问最大的好处就是速度更快它节省了一次指针定位的时间开销由于对象访问在 Java 中非常频繁因此此类开销积少成多也是一项极为可观的执行成本对虚拟机 HotSpot 而言它主要使用第二种进行对象访问有例外如果使用了 Shenandoah 收集器的话会有一次额外的转发但从整个软件开发的范围来看在各种语言、框架中使用句柄来访问的情况也十分常见。
