对象分配、布局和访问

对象的创建

Java是一门面向对象的编程语言，在Java程序的运行过程中无时无刻都有对象被创建出来。对象（限于普通Java对象，不包括数组和Class对象等）的创建过程：

类加载检查

当虚拟机遇到一条new指令时，①首先会去检查这个指令的参数是否能在常量池（用于存放编译期生成的各种字面量和符号引用）中定位到一个类的符号引用，②并且检查这个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③先执行相应的类加载过程（后面会详细介绍类加载部分）。

划分内存

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等同于把一块确定大小的内存从Java堆中划分出来。

划分方法：

1. 指针碰撞：假如Java堆中内存时绝对规整的，所有用过的内存都放在一边空闲的内存放在另一边，中间放着一个指针作为分界点的指示器，那所分配内存就仅仅是把指向空闲空间的那边挪动一段与对象大小相等的距离。
2. 空闲列表：假如Java堆中的内存不是规整的，虚拟机就必须维护一个列表，记录上哪些内存时可用的，在分配内存的时候从列表中找到一块足够大的空间分配给对象实例，并更新列表上的记录。

对象创建的线程安全问题：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方案：

1. 一种是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操作的原子性；
2. 把内存分配动作按照线程划分在不同的空间之中进行，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（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，才需要同步锁定。

初始化

内存分配完成后，虚拟机需要将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）。
接下来，虚拟机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（Object Header）之中。根据虚拟机当前的运行状态不同，对象头会有不同的设置方式。
在上面工作都完成之后，从虚拟机的视角来看，一个新的对象已经产生了，但是从Java程序的视角来看，对象创建才刚刚开始——init方法还没有执行，所有的字段都还为零。所有，一般来说，执行new指令之后会接着执行init方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正可用的对象才算完全产生出来。

对象的内存布局

在HotSpot虚拟机中，对象在内存中存储的布局可以分为3块区域：对象头（Header）、实例数据（Instance Data）和对齐填充（Padding）。

对象头

HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息，第一部分用于存储对象自身的运行时数据，如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32bit和64bit，官方称它为“Mark Word”。
实际上“Mark Word”是一个非固定的数据结构以便在极小的内存空间存储尽量多的信息，他会根据对象的状态复用自己的存储空间。

对象头的另外一部分是类型指针，即对象指向它的类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。 同时，查找对象的元数据并不一定要通过对象本身。若对象是Java数组，那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Java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。

实例数据

实例数据部分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。无论是从父类继承下来的，还是在子类中定义的，都需要记录下来。这部分的存储顺序会受到虚拟机分配策略参数和字段在Java源码中定义顺序的影响。 相同宽度的字段总是会被分配到一起：longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(Ordinary Object Pointer)。在满足这个条件的情况下，在父类中定义的变量会出现在子类之前。

对齐填充

对齐填充并不是必然存在的，也没有特别的含义，它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对象起始地址必须是8字节的整数倍，换句话说，就是对象的大小必须是8字节的整数倍。而对象头部分正好是8字节的整数倍（1倍或者2倍），因此当对象实例数据部分没有对齐时，就需要通过对齐填充来补全。

对象的访问定位

建立对象是为了使用对象，我们的Java程序需要通过栈上的reference数据来操作堆上的具体对象。由于reference类型在Java虚拟机规范中只规定了一个指向对象的引用，并没有定义这个引用应该通过何种方式去定位、访问堆中对象的具体位置。所以对象访问方式也是取决于虚拟机实现而定的。目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

句柄访问方式：java堆中将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（在Java堆的实例池中）和对象类型数据（在方法区中）各自的具体地址信息。

指针访问方式：reference变量中直接存储的就是对象的地址，而java堆存储了对象实例数据和到对象类型数据的指针，在方法区中存储了对象类型数据。

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本身不需要修改。
使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次指针定位的时间开销，由于对象的访问在Java中非常频繁，因此这类开销积少成多后也是一项非常可观的执行成本。