对象分配、布局和访问

1、对象的创建

虚拟机遇到一条new指令时，首先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为新生对象分配内存。内存分配方式有两种：

（1）指针碰撞：指针碰撞的前提是Java堆是绝对规整的，有用的和空闲各自放在一边，中间放着一个指针作为分界点指示器，所分配内存就仅仅是把那个指针向空闲空间那边挪动一段与对象大小相等的距离。在使用Serial,和ParNew等收集器时候使用的是指针碰撞。

（2）空闲列表：如果Java堆不是规整的，已使用的内存和空闲的内存相互交错，虚拟机就必须维护一个列表，记录了哪些是可用的内存，在分配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。在使用CMS这种基于Mark-Sweep算法的收集器时，通常采用空闲列表。

在并发情况下为保证线程安全，在分配内存时可以对分配内存空间的动作进行同步处理，或者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冲（Thread Local Allocation Buffer,TLAB）。若采用此方式，内存空间初始化为零值将提前至TLAB分配时进行。

   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。

接下来要对对象进行必要的设置，例如这个对象是哪个类的实例，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。

从虚拟机的视角来看一个新的对象已经产生了，从Java程序的视角来看，对象的创建才刚刚开始，init方法还没有执行，所有的字段都还为零。所以，一般来说执行new指令后会接着执行init方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正的可用的对象才算完全产生出来。

2、对象的内存布局

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

（1）对象头

HotSpot 虚拟机的对象头包括两部分（非数组对象）信息：

• 第一部分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、对象分代年龄，这部分信息称为“Mark Word”；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，它会根据自己的状态复用自己的存储空间。
• 第二部分是类型指针，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；
• 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。

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。

（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的字段内容。无论是从父类中继承下来的，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（FieldsAllocationStyle）和字段在 Java 源码中定义顺序的影响。

（3）对齐填充

对齐填充不是必然存在的，没有特别的含义，它仅起到占位符的作用。

由于 HotSpot VM 的自动内存管理系统要求对象起始地址必须是 8 字节的整数倍，也就是说对象的大小必须是 8 字节的整数倍。对象头部分是 8 字节的倍数，所以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。

3、对象的访问定位

Java程序需要通过栈上的引用数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式取决于虚拟机实现，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堆中会划分出一块内存作为句柄池，引用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。

优势：引用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，而引用本身不需要

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，而引用中存储的就直接是对象地址。

优势：速度更快，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非常可观的执行成本。（例如HotSpot）