JVM_07 运行时数据区4-对象的实例化内存布局与访问定位+直接内存

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1.对象的实例化

1.1 建立对象的方式

• new
  • 最多见的方式
  • 变形1 ： Xxx的静态方法
  • 变形2 ： XxBuilder/XxoxFactory的静态方法
• Class的newInstance（）：反射的方式，只能调用空参的构造器，权限必须是public
• Constructor的newInstance（Xxx）：反射的方式，能够调用空参、带参的构造器，权限没有要求
• 使用clone（） ：不调用任何构造器，当前类须要实现Cloneable接口，实现clone（）
• 使用反序列化：从文件中、从网络中获取一个对象的二进制流
• 第三方库Objenesis

1.2 建立对象的步骤

1. 判断对象对应的类是否加载、连接、初始化
2. 为对象分配内存
   1. 若是内存规整一指针碰撞
   2. 若是内存不规整：
      1. 虚拟机须要维护一个列表
      2. 空闲列表分配
3. 处理并发安全问题
   1. 采用CAS配上失败重试保证更新的原子性
   2. 每一个线程预先分配一块TLAB
4. 初始化分配到的空间一全部属性设置默认值，保证对象实例字段在不赋值时能够直接使用
5. 设置对象的对象头
6. 执行init方法进行初始化

1) 判断对象对应的类是否加载、连接、初始化

虚拟机遇到一条new指令，首先去检查这个指令的参数可否在Metaspace的常量池中定位到一个类的符号引用，而且检查这个符号引用表明的类是否已经被加载、解析和初始化。（ 即判断类元信息是否存在）。若是没有，那么在双亲委派模式下，使用当前类加载器以ClassLoader+包名+类名为Key进行查找对应的.class文件。若是没有找到文件，则抛出ClassNotFoundException异常，若是找到，则进行类加载，并生成对应的Class类对象

2) 为对象分配内存

首先计算对象占用空间大小，接着在堆中划分一块内存给新对象。 若是实例成员变量是引用变量，仅分配引用变量空间便可，即4个字节大小。

• 若是内存规整，使用指针碰撞
  若是内存是规整的，那么虚拟机将采用的是指针碰撞法（BumpThePointer）来为对象分配内存。意思是全部用过的内存在一边，空闲的内存在另一边，中间放着一个指针做为分界点的指示器，分配内存就仅仅是把指针向空闲那边挪动一段与对象大小相等的距离罢了。若是垃圾收集器选择的是Serial、ParNew这种基于压缩算法的，虚拟机采用这种分配方式。通常使用带有compact （整理）过程的收集器时，使用指针碰撞。
• 若是内存不规整，虚拟机须要维护一个列表，使用空闲列表分配
  若是内存不是规整的，已使用的内存和未使用的内存相互交错，那么虛拟机将采用的是空闲列表法来为对象分配内存。意思是虚拟机维护了一个列表，记录上哪些内存块是可用的，再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，并更新列表上的内容。这种分配方式成为“空闲列表（Free List） ”。

说明：选择哪一种分配方式由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。

给对象的属性赋值的操做：
① 属性的默认初始化
② 显式初始化
③ 代码块中初始化
④ 构造器中初始化

3) 处理并发安全问题

在分配内存空间时，另一个问题是及时保证new对象时候的线程安全性：建立对象是很是频繁的操做，虚拟机须要解决并发问题。虚拟机采用 了两种方式解决并发问题：

• CAS （ Compare And Swap ）失败重试、区域加锁：保证指针更新操做的原子性；
• TLAB把内存分配的动做按照线程划分在不一样的空间之中进行，即每一个线程在Java堆中预先分配一小块内存，称为本地线程分配缓冲区，（TLAB ，Thread Local Allocation Buffer） 虚拟机是否使用TLAB，能够经过一XX：+/一UseTLAB参数来 设定。

4) 初始化分配到的空间

内存分配结束，虚拟机将分配到的内存空间都初始化为零值（不包括对象头）。这一步保证了对象的实例字段在Java代码中能够不用赋初始值就能够直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

5) 设置对象的对象头

将对象的所属类（即类的元数据信息）、对象的HashCode和对象的GC信息、锁信息等数据存储在对象的对象头中。这个过程的具体设置方式取决于JVM实现。

6) 执行init方法进行初始化

在Java程序的视角看来，初始化才正式开始。初始化成员变量，执行实例化代码块，调用类的构造方法，并把堆内对象的首地址赋值给引用变量。 所以通常来讲（由字节码中是否跟随有invokespecial指令所决定），new指令之 后会接着就是执行方法，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彻底建立出来。

代码示例

/**
 * 测试对象实例化的过程
 *  ① 加载类元信息 - ② 为对象分配内存 - ③ 处理并发问题  - ④ 属性的默认初始化（零值初始化）
 *  - ⑤ 设置对象头的信息 - ⑥ 属性的显式初始化、代码块中初始化、构造器中初始化
 *
 *  给对象的属性赋值的操做：
 *  ① 属性的默认初始化 - ② 显式初始化 / ③ 代码块中初始化 - ④ 构造器中初始化
 * 
 */
public class Customer{
    int id = 1001;
    String name;
    Account acct;

    {
        name = "匿名客户";
    }
    public Customer(){
        acct = new Account();
    }

}

class Account{

}
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2. 对象的内存布局

对象头（Header）

包含两部分

• 运行时元数据
  • 哈希值（ 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
• 类型指针：指向类元数据的InstanceKlass，肯定该对象所属的类型
• 说明：若是是数组，还需记录数组的长度

实例数据（Instance Data）

说明：它是对象真正存储的有效信息，包括程序代码中定义的各类类型的字段（包括从父类继承下来的和自己拥有的字段） 规则：

• 相同宽度的字段总被分配在一块儿
• 父类中定义的变量会出如今子类以前
• 若是CompactFields参数为true（默认为true），子类的窄变量可能插入到父类变量的空隙

对齐填充（Padding）

不是必须的，也没特别含义，仅仅起到占位符做用

小结

public class CustomerTest {
    public static void main(String[] args) {
        Customer cust = new Customer();
    }
}
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3.对象的访问定位

JVM是如何经过栈帧中的对象引|用访问到其内部的对象实例的呢？-> 定位,经过栈上reference访问

对象访问的主要方式有两种

• 句柄访问
  

• 直接指针(HotSpot采用)
  

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直接内存(Direct Memory)

• 不是虚拟机运行时数据区的一部分，也不是《Java虚拟机规范》中定义的内存区域
• 直接内存是Java堆外的、直接向系统申请的内存区间

/**
 *  IO                  NIO (New IO / Non-Blocking IO)
 *  byte[] / char[]     Buffer
 *  Stream              Channel
 *
 * 查看直接内存的占用与释放
 */
public class BufferTest {
    private static final int BUFFER = 1024 * 1024 * 1024;//1GB

    public static void main(String[] args){
        //直接分配本地内存空间
        ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(BUFFER);
        System.out.println("直接内存分配完毕，请求指示！");

        Scanner scanner = new Scanner(System.in);
        scanner.next();

        System.out.println("直接内存开始释放！");
        byteBuffer = null;
        System.gc();
        scanner.next();
    }
}
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• 来源于NIO，经过存在堆中的DirectByteBuffer操做Native内存

  

  

• 一般，访问直接内存的速度会优于Java堆。即读写性能高

  • 所以出于性能考虑，读写频繁的场合可能会考虑使用直接内存
  • Java的NIO库容许Java程序使用直接内存，用于数据缓冲区

• 也可能致使OutOfMemoryError异常:OutOfMemoryError: Direct buffer memory

/**
 * 本地内存的OOM:  OutOfMemoryError: Direct buffer memory
 */
public class BufferTest2 {
    private static final int BUFFER = 1024 * 1024 * 20;//20MB

    public static void main(String[] args) {
        ArrayList<ByteBuffer> list = new ArrayList<>();

        int count = 0;
        try {
            while(true){
                ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocateDirect(BUFFER);
                list.add(byteBuffer);
                count++;
                try {
                    Thread.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        } finally {
            System.out.println(count);
        }


    }
}
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• 因为直接内存在Java堆外，所以它的大小不会直接受限于一Xmx指定的最大 堆大小，可是系统内存是有限的，Java堆和直接内存的总和依然受限于操做系统能给出的最大内存。
• ==缺点==
  • 分配回收成本较高
  • 不受JVM内存回收管理
• 直接内存大小能够经过MaxDirectMemorySize设置
• 若是不指定，默认与堆的最大值一Xmx参数值一致

简单理解： java process memory = java heap + native memory

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JVM学习代码及笔记（陆续更新中...）

【代码】
github.com/willShuhuan…
【笔记】
JVM_01 简介
JVM_02 类加载子系统
JVM_03 运行时数据区1- [程序计数器+虚拟机栈+本地方法栈]
JVM_04 本地方法接口
JVM_05 运行时数据区2-堆
JVM_06 运行时数据区3-方法区
JVM_07 运行时数据区4-对象的实例化内存布局与访问定位+直接内存
JVM_08 执行引擎（Execution Engine）
JVM_09 字符串常量池StringTable
JVM_10 垃圾回收1-概述+相关算法
JVM_11 垃圾回收2-垃圾回收相关概念
JVM_12 垃圾回收3-垃圾回收器