解密Java虚拟机对象创建

时间 2021-01-14 标签 jvm对象创建

* 本文讨论的对象限于普通Java对象，不包括数组和Class对象等

一、对象的创建

虚拟机遇到一条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经被加载、解析、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，虚拟机会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堆中划分出来。分配方式有两种：

如果Java堆中内存是绝对规整的，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，这种分配方式成为“指针碰撞（Bump the Pointer）”。

2. 空闲列表

如果Java堆中内存并不是规整的，已使用的内存和空闲内存相互交错，就没有办法简单地进行指针碰撞了，虚拟机必须维护一个列表，记录上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，这种分配的方式称为“空闲列表（Free List）”

在多线程并发的情况下对象创建并不是线程安全的，如：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。为解决线程安全，可用以下两种方案：

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）
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）。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）（初始化是将数据类型的值变为零值），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可以直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

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、对象的哈希码、对象的GC分代年龄等信息。

从虚拟机的视觉来看，完成上述步骤一个新的对象已经产生了，但是从Java程序的视觉来看，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，所以，一般来说，执行new指令之后就会接着执行<init>方法，把对象按照程序员的意愿进行初始化，这样一个真正的对象才算完成生产出来。

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）。

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，官方称它为“Mark Word”。

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。

实例数据：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。

对齐填充：这部分并不是必然存在的，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，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。

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。

目前主流的访问方式有使用句柄和直接指针两种。

使用句柄访问的话，那么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，而句柄包括了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息，如下图：

2.使用直接指针访问，那么Java堆独享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的地址，如下图：

两种对象访问方式各有优势：

句柄访问最大的好处是reference中存储的额是稳定的句柄地址，在对象被移动是只会改变句柄中的实例数据指针，而reference本身不需要修改。

直接指针最大的好处是速度更快，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。

注：本书讨论的虚拟机Sun HotSpot是使用第二种访问方式进行对象访问的。