Java对象的创建、内存布局和访问定位

一、对象的创建

1.类加载检查 : 虚拟机遇到一条new指令时,首先将会去检查这个指令的参数是否能在常量池中(.Class文件的静态常量池)定位到这个类的符号引用。并且检查这个符号引用代表的类是否已经被加载、解析和初始化过。如果没有,那必须先执行相应的类加载过程。

2.分配内存 : 对象所需内存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。但是不同的垃圾回收器的算法会导致堆内存存在两种情况:绝对规整和相互交错。
指针碰撞 : 假设Java堆中内存是绝对规整的,所有用过的内存都存放在一起,空闲的内存存放在另一边,中间放着一个指示器作为分界点的指示器,那所分配的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,这种分配方式称为“指针碰撞”。
空闲列表 : 但是如果Java堆中的内存并不是规整的,已使用的内存和空闲内存相互交错,那么虚拟机会维护一个列表,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给对象实例,并更新列表上的记录。这种分配方式称为“空闲列表”。

3.分配内存的并发问题 : 即使是仅仅修改一个指针所指向的位置,在并发情况下也并不是线程安全的,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。针对这个问题有两种解决方案。
失败重试 : 对分配内存空间的动作进行同步处理,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。
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。

4.内存空间初始化零值 : 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零值,这一步操作保证了对象的实例字段(成员变量)在Java代码中可以不赋值就直接使,程序能够访问到这些字段的数据类型所对应的零值。

5.对象设置 : 接下来虚拟机便会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。这些信息存放在上面提到的对象头之中。至此一个新的对象产生了。

6.实例构造器的init方法 : 虽然对象产生了,但是<init>方法并没有执行,所有的字段还需要赋值。(包括成员变量赋值,普通语句块执行,构造函数的执行等。)

二、对象的内存布局

分为三个区域:对象头、实例数据、对齐填充。

(1)对象头
包括两部分信息,第一部分: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,这部分数据的长度在32位和64位的虚拟机中分别为32 bit和64 bit,官方称它为“Mark Word”。
第二部分: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。

(2)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。

(3)对齐填充
对齐填充不是必然存在的。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。而对象头部分正好是8字节的整数倍。因此,当对象实例数据部分没有对齐时,就需要通过对其补充来补全了。

三、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。
句柄引用和直接引用不同就在于:使用句柄引用的话,那么Java堆中将会划分出一块内存来作为句柄池,引用中存储的就是对象的句柄地址,但是直接引用引用中存储的直接就是对象地址。
(1)句柄访问
Java堆中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,而句柄中包含了对实例数据与类型数据的各自具体的地址信息。


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(2)直接指针访问
reference中存储的直接就是对象地址。


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