JVM学习笔记(二)HotSpot虚拟机对象探秘

  以常用的虚拟机HotSpot和常用的内存区域java堆为例，深入探讨HotSpot虚拟机在java堆中对象分配、布局和访问的全过程。

一、对象的创建

  java是一门面向对象的编程语言，在java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（例如克隆、反序列化）通常仅仅是一个new关键字而已，而在虚拟机中，对象（文中讨论的对象限于普通java对象，不包括数组和Class对象等）的创建又是怎样的一个过程呢？

1、对象内存分配

  虚拟机在遇到一条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，虚拟机将在堆中为新生对象分配内存，对象所需的内存大小在类加载完成后便可完全确定。分配内存的算法有指针碰撞和空闲列表两种方式。选择哪种分配方式由java堆是否规整决定，而java堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定。因此，在使用Serial、ParNew等带Compact过程的收集器时，系统采用的分配算法是指针碰撞，而使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常采用空闲列表。

  对象创建虚拟中是非常频繁的行为，在并发情况下保证线程安全，有两种方案：

  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配上失败重试的方案保证更新操作的原子性；
  另一种是把内存分配的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存（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。虚拟机是否适用TLAB，可以通过-XX:+/-UseTLAB参数来设定。

2、对象初始化

  对象内存分配完成后，虚拟机将分配到内存空间的对象初始化为零值（不包括对象头），如果使用TLAB，这一工作过程也可以提前至TLAB分配时进行。这一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，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值（即默认值）。

  接下来，虚拟机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、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的不同，如是否启用偏向锁等，对象头会有不同的设置方式。

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  在对象内存分配和初始化默认值、设置对象头完成之后，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（默认值）。所以一般来说（由字节码中是否跟随invokespecial指令所决定），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创建成功。

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二、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(Object Header)、实例数据(Instance Data)和对齐填充(Padding)。

1、对象头
  HotSpot虚拟机的对象头包括两部分信息：

Mark Word：用于存储对象自身的运行时数据，如哈希码、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，这部分的数据的长度在32位和64位的虚拟机（未开启压缩指针）中分别为32bit和64bit。Mark Word被设计成一个非固定的数据结构以便在极小的空间内存储尽量多的信息，它会根据对象的状态复用自己的存储空间。以32位的HotSpot虚拟机为例：

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。并不是所有的虚拟机实现都必须在对象数据上保留类型指针，换句话说，查找对象元数据信息并不一定要经过对象本身。另外，如果对象是一个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无法确定数组的大小。

2、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，都需要记录起来。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。HotSpot虚拟机默认的分配策略为longs/doubles、ints、shorts/chars、bytes/booleans、oops(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CompactFields参数值为true（默认为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

  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 VM的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是八字节的整数倍，也就是对象的大小必须是八字节的整数倍，而对象头部分正好是八字节的倍数（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。

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三、对象的访问定位

  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通过何种方式去定位、访问对中的对象的具体位置，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。

  如果使用句柄访问的话，那么java堆中将会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的具体地址信息，如下图所示：

  如果使用直接指针访问，那么java堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而reference中存储的直接就是对象地址,如下图所示：

  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中存储的对象的句柄地址不需要修改。
  使用直接指针访问方式的最大好处就是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销。就Sun HotSpot而言，它是使用直接指针访问方式访问对象的。